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文档简介

2.5大电流效应和基区宽变效应(Early效应)

大电流效应大注入效应有效基区扩展效应(kirk效应)发射极电流集边效应2.基区宽变效应(Early效应)

1.大电流效应

双极晶体管的大电流效应包括:大注入效应、有效基区扩展效应(Kirk效应)、准饱和效应以及发射极电流集边效应。①大注入效应

1)什么是大注入(高电平注入):指PN结外加正向电压时,注入少数载流子密度等于或超过多子平衡态密度的工作状态。

2)大注入内建电场图2-29NPN晶体管基区载流子分布(a)小注入b)大注入小注入时,注入的电子密度远低于平衡态空穴密度,认为多子空穴平衡分布与平衡态近似相同。大注入时,注入电子密度超过空穴平衡态密度,电中性要求,空穴的密度梯度与电子的密度梯度相等。由于存在密度梯度,空穴将自发射结向集电结扩散,而一旦扩散开来,电中性就受到破坏,为维持空穴这一相应的积累,需建立一电场来阻止空穴的扩散,这个电场就是大注入内建电场,其方向是从集电结指向发射结,对注入到基区的电子起加速作用。平衡态时,多子电流准中性第一项表示在大注入下,由基区杂质分布梯度产生的有效电场,对均匀基区,这一项等于零。第二项表示少子注入基区后,为维持电中性,积累相应的空穴而产生的大注入自建电场,它随注入水准的提高而增强。极大注入时,均匀和缓变基区晶体管,基区自建电场都由注入载流子的分布梯度dnpB(x)/dx决定。考虑到大注入电场后,电子电流密度为

大注入内建电场εBI的表达式对于均匀基区,dNAB/dx=0,上式变为(2-181)若忽略基区复合,JnB(x)=JnB(0)=JnB=常数,对上式从0~WB进行积分,并利用在正向有源区,基区边界条件nPB(WB)=0,(2-182)大注入正向传输电流密度表达式讨论

小注入nPB<<NAB,

极大注入nPB>>NAB,形式上少子扩散系数乘以2,基区电流中自建电场所产生的漂移分量和分布梯度所产生的扩散分量相等,DnB→2DnB,说明大注入内建电场对注入载流子的输运起加速作用。大注入电场对基区渡越时间的影响小注入时为大注入基区内建电势(VBI):大注入基区内建电场沿纵向建立的集电结势垒边界到发射结势垒边界的电势差因为由于存在VBI,外加于基极-发射极引出端的VBE只有一部分降在发射结上,因而VBE=VBI+VJE(VJE

被看作是“工作电压”

)(2-195)

3)大注入电导调制基区大注入工作时,非平衡多子密度和少子密度都超过平衡多子密度,因而使基区电导率明显增大,这就是基区电导调制小注入时,大注入时,小注入时边界载流子(少子)密度与VJE的关系是由下式确定

3)大注入电导调制(续)小注入非平衡多子密度的边界值近似等于其平衡态值,即大注入假定发射结过渡区内玻尔兹曼准平衡近似成立,过渡区外准中性近似成立,边界载流子密度满足下述关系(2-198)(2-199)

发射区高掺杂,多子密度平衡态值高,未进入大注入工作状态,因而仍可认为非平衡多子密度的边界值近似等于平衡态值。是VjE,不是VBE

3)大注入电导调制(续)图2-31大注入时发射结势垒两侧的载流子分布4〕大注入工作时的电流增益和正向传输电流(均匀基区)

由于基区电导调制效应,基区电阻率ρB下降,发射效率降低,使电流增益下降,此现象称为Rittner效应。

大注入自建电场,在极大注入下,电子扩散系数由DnB变成2DnB,L2nB=Dτ变成2L2nB,基区输运系数增加,使电流增益增加。也可以这样理解:β*=1-IrB/InB=1-τB/τnB,在极大注入下,τB变成小注入下的1/2,基区复合减小了,电流增益增加了。大注入基区内建电场减缓大电流增益的下降,通常称此效应为Webster(韦伯斯脱)效应。(2.3节补充公式)4〕大注入工作时的电流增益和正向传输电流(均匀基区)(续)(2--182)我们知道又因为(2-212)因为,VBE==VJE+VBI:(2-213)4〕大注入工作时的电流增益和正向传输电流(均匀基区)(续)代入(2-212)得(2-214)小注入时正向传输电流

极大注入时带入(2-213)式可得(2-217)4〕大注入工作时的电流增益和正向传输电流(均匀基区)(续)最后由(2-214)得出极大注入传输电流为(2-219)与小注入传输电流相比,(2-219)式形式上相当于实现以下代替:

i)2DnB代替DnB,

ii)ni代替npB0,

iii)VBE/2代替VBE。上述三点是Webster效应的要素。利用(2-219)式能够解释实际测量中发现的大电流时lnIC~VBE关系渐近地趋向于斜率为q/2kT直线的现象。极大注入小注入5)缓变基区晶体管的大注入效应小注入:大注入:基区过剩载流子电荷总量(2-235)(2-237)(2-223)5)缓变基区晶体管的大注入效应(续)根据(2-24)式给出的基区渡越时间定义,Q’B表示为(2-238)将(2-237)式及(2-238)式代人(2-235)式,集电极电流表示式变成

(2-239)极大注入工作,满足》QB0(2-240)上式表明,缓变基区晶体管极大注入工作时

这同(2-219)式所表示的均匀基区晶体管的结果是一样的,所以大电流时的InIc~VBE测量曲线(斜率为q/2kT直线)也同样得到了解释。5)缓变基区晶体管的大注入效应(续)缓变基区晶体管大注人工作时的电流增益:

大注入时SHR和Auger两种复合同时起作用,过剩载流子的复合几率为两种机构复合几率之和,因此,可以列出下式基区复合项可表示为

实际测量中观察到了大电流时1/hFE与IC间为线性变化关系,根据(2-246)式,可以用大注入效应解释这一现象。(2-246)②有效基区扩展效应(Kirk效应)

有效基区扩展效应是指大电流密度下BJT的有效基区随电流密度增加而展宽,准中性基区扩展进入集电区的现象。C.T.Kirk首先解释了这一效应,所以通常称之为Kirk效应。产生有效基区扩展效应的机构主要有两种。第一种机构是大电流时集电结N-侧耗尽区中可动电荷中和离化的杂质中心电荷导致空间电荷区朝向远离发射结的方向推移。第二种机构是电中性N-区上的欧姆压降随电流增加而增大,促使反偏集电结转为零偏和正偏,晶体管进入准饱和态工作。注入电流对集电结空间电荷区电场分布的影响:对N+PN-N+四层结构,从发射结注入的电子,在通过集电结电荷区时,对耗尽区的正(n侧)负(p侧)空间电荷分别起着中和和添加作用。使n侧正空间电荷密度减小,p侧负空间电荷密度增加,电场分布发生变化。若载流子以速度v通过空间电荷区,则空间电荷区自由电子密度为nc,◆均匀基区晶体管,电中性条件大电流下,空穴的注入使得大电流下电中性正电荷密度增加负电荷密度减少②有效基区扩展效应(Kirk效应)图2-35强场情形下集电结过渡区电场分布J=Ja,Jb时,N侧的空间电荷为正,最大电场在PN处。J=J0,nC=NC时,dε/dx=0J=J1,

nC>NC时,N区变成带负电的空间电荷区,最大电场在N-N+处,PN结面电场变为零。J>J1,电场为零处发生在N-区,WCIB区为电中性区-基区扩展区。

J1规定为有效基区扩展效应开始起作用的临界电流密度。CIB:CurrentInductionBase电流感应基区②有效基区扩展效应(纵向Kirk效应)续J1≈J0=qNcvl

Vl

载流子的极限漂移速度在弱场情况:(续)

BJT在准饱和区工作时,正偏集电结向轻掺杂N-区注入空穴,使得N-区靠近集电结势垒边界附近积累了大量过剩空穴,在同一区域内还积累了数量相等的过剩电子,维持该区域处于准中性状态。N-区主要是中性电导调制区及欧姆导电区,电导调制区积累了过剩载流子,又是准中性的,同有效基区十分相似,所以通常将此区域也称作电流感应基区,并用WCIB表示其宽度。欧姆导电区的宽度为WC-WCIB。考虑到电导调制区电阻与欧姆区电阻相比很小,可以认为外加VCB大部分降落在欧姆导电区上,因而可写出(2-260)②有效基区扩展效应(纵向Kirk效应)续发射区中心部分注入到基区的少子可看作是沿垂直于PN结平面方向运动,但是在内基区到外基区交界处由于存在平行于结平面方向的密度梯度,所以载流子的运动是二维的,如果将发射结的侧向注入考虑进去,可以预期注入到基区的载流子将呈现放射状分布,我们称这种现象为基区横向扩展。由于横向扩展,边缘部分少子渡越基区的距离增大,渡越时间加长,从而使器件的基区平均渡越时间增加,基区输运系数下降。图2-38基区横向扩展模型②有效基区扩展效应(纵向Kirk效应)续Kirk效应对器件特性的影响大注入,用2DnB代替DnB大电流,增大,基区复合增大,基区输运系数减小,电流增益下降。基区复合较大的晶体管,根据上述分析可解释大电流下电流增益下降的现象基区渡越时间增加,特征频率下降,fT∝1/τB。②有效基区扩展效应(纵向Kirk效应)续③发射极电流集边效应

大电流下,较大的平行于结平面的基极电流(多子电流)在狭长的基区电阻rb上将产生横向压降,使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小,发射极电流密度则从中心到边缘逐渐增大,由此产生发射极电流集边效应(也称基区电阻自偏压效应)发射极有效条宽(2Seff):规定:发射极中心到边缘处的横向压降变化kT/q时所对应的发射极条宽为发射极有效条宽。通常用2Seff表示。③发射极电流集边效应(续)发射极有效条长(Leff):与基极电阻自偏压效应类似,在大电流下发射极电流在金属电极条长方向引起压降,引起发射结偏压在条长方向分布不均匀,所不同是前者引起发射结基区侧电位不均匀,后者改变的是发射区侧的电位。电极端部至根部两处的电位差等于kT/q时所对应的发射极长度称为发射极有效条长Leff发射极金属条的等效电阻为:若发射极由n条并联而成,则③发射极电流集边效应(续)

求发射极单位周长电流容量--线电流密度I0由于电流集边效应,使得在大电流下晶体管的电流容量不取决于发射区面积而是取决于发射极周长,因此定义线电流密度:

由此可知,影响I0的主要因素是:1)JCM,决定于电流上升时首先起作用的大电流效应。2)hFE,hFE值愈低(或频率越高)则I0愈小。3)ROB,其值愈高则I0愈小。③发射极电流集边效应发射极单位周长电流容量-线电流密度I0(续)如果已知I0,乘以发射区长度LE,即可直接得出最大工作电流。

在设计双极晶体管图形时,I0通常采用下列经验值:

放大用BJTf=(20~400)MHzI0=(0.08~0.16)mA/μmf>400MHzI0=(0.04~0.08)mA/μm

开关用BJTI0=(0.16~0.40)

mA/μm除最大工作电流以外,发射极电流集边效应还影响BJT的其它参数,其中主要包括:

1)减小基极电阻。

2)增大集电区串联电阻和饱和压降。I0经验值(0.1mA/μm)③发射极电流集边效应(续)在发生发射极电流集边效应时,电流-电压关系变化规律:这样,我们就证明了在强集边条件关系是成立的。2

基区宽变效应(Early效应)

工作在正向有源区的BJT的集电结,其空间电荷区宽度及基区一侧的扩展距离,随反偏电压数值增大而增大,有效基区宽度因而随之减小,通常将有效基区宽度随集电极——基极偏压变化,并影响器件特性的现象称作基区宽度调变效应。J.M.Early首先分析了这种效应,所以也称之为Ear1y效应。W'BW'BWBWBxNNP00nB(x)2

基区宽变效应(Early效应)

Ear1y效应在以下五个方面影响器件特性①共发射极工作以及共基极工作时的低频输出电导不等于零。②基区渡越时间τB都受VCB调制,VCB增加使WB减小,因而基区渡越时间缩短。③影响共发射极低频反向转移导纳。反向转移导纳等于输入电流增量与输出电压增量之比,即ΔIB/ΔVCB,电压增量ΔVCB,将相应地产生输入电流增量ΔIB。2

基区宽变效应(Early效

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