2-5大電流效應(yīng)和基區(qū)寬變效應(yīng)

2.5大電流效應(yīng)和基區(qū)寬變效應(yīng)(Early效應(yīng))

大電流效應(yīng)大注入效應(yīng)有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)（kirk效應(yīng)）發(fā)射極電流集邊效應(yīng)2.基區(qū)寬變效應(yīng)(Early效應(yīng))

1.大電流效應(yīng)

雙極晶體管的大電流效應(yīng)包括:大注入效應(yīng)、有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)(Kirk效應(yīng))、準(zhǔn)飽和效應(yīng)以及發(fā)射極電流集邊效應(yīng)。①大注入效應(yīng)

1）什么是大注入(高電平注入)：指PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，注入少數(shù)載流子密度等于或超過多子平衡態(tài)密度的工作狀態(tài)。

2）大注入內(nèi)建電場圖2-29NPN晶體管基區(qū)載流子分布（a）小注入b）大注入小注入時(shí)，注入的電子密度遠(yuǎn)低于平衡態(tài)空穴密度，認(rèn)為多子空穴平衡分布與平衡態(tài)近似相同。大注入時(shí)，注入電子密度超過空穴平衡態(tài)密度，電中性要求，空穴的密度梯度與電子的密度梯度相等。由于存在密度梯度，空穴將自發(fā)射結(jié)向集電結(jié)擴(kuò)散，而一旦擴(kuò)散開來，電中性就受到破壞，為維持空穴這一相應(yīng)的積累，需建立一電場來阻止空穴的擴(kuò)散，這個(gè)電場就是大注入內(nèi)建電場，其方向是從集電結(jié)指向發(fā)射結(jié)，對注入到基區(qū)的電子起加速作用。平衡態(tài)時(shí)，多子電流準(zhǔn)中性第一項(xiàng)表示在大注入下，由基區(qū)雜質(zhì)分布梯度產(chǎn)生的有效電場，對均勻基區(qū)，這一項(xiàng)等于零。第二項(xiàng)表示少子注入基區(qū)后，為維持電中性，積累相應(yīng)的空穴而產(chǎn)生的大注入自建電場，它隨注入水準(zhǔn)的提高而增強(qiáng)。極大注入時(shí)，均勻和緩變基區(qū)晶體管，基區(qū)自建電場都由注入載流子的分布梯度dnpB(x)/dx決定?？紤]到大注入電場后，電子電流密度為

大注入內(nèi)建電場εBI的表達(dá)式對于均勻基區(qū)，dNAB/dx=0，上式變?yōu)?2-181)若忽略基區(qū)復(fù)合，JnB(x)=JnB(0)=JnB=常數(shù)，對上式從0~WB進(jìn)行積分，并利用在正向有源區(qū)，基區(qū)邊界條件nPB（WB）＝0，(2-182）大注入正向傳輸電流密度表達(dá)式討論

小注入nPB<<NAB，

極大注入nPB>>NAB，形式上少子擴(kuò)散系數(shù)乘以2，基區(qū)電流中自建電場所產(chǎn)生的漂移分量和分布梯度所產(chǎn)生的擴(kuò)散分量相等，DnB→2DnB，說明大注入內(nèi)建電場對注入載流子的輸運(yùn)起加速作用。大注入電場對基區(qū)渡越時(shí)間的影響小注入時(shí)為大注入基區(qū)內(nèi)建電勢(VBI)：大注入基區(qū)內(nèi)建電場沿縱向建立的集電結(jié)勢壘邊界到發(fā)射結(jié)勢壘邊界的電勢差因?yàn)橛捎诖嬖赩BI，外加于基極－發(fā)射極引出端的VBE只有一部分降在發(fā)射結(jié)上，因而VBE＝VBI+VJE(VJE

被看作是“工作電壓”

)（2-195)

3）大注入電導(dǎo)調(diào)制基區(qū)大注入工作時(shí)，非平衡多子密度和少子密度都超過平衡多子密度，因而使基區(qū)電導(dǎo)率明顯增大，這就是基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制小注入時(shí)，大注入時(shí)，小注入時(shí)邊界載流子(少子)密度與VJE的關(guān)系是由下式確定

3）大注入電導(dǎo)調(diào)制(續(xù))小注入非平衡多子密度的邊界值近似等于其平衡態(tài)值，即大注入假定發(fā)射結(jié)過渡區(qū)內(nèi)玻爾茲曼準(zhǔn)平衡近似成立，過渡區(qū)外準(zhǔn)中性近似成立，邊界載流子密度滿足下述關(guān)系(2-198）（2-199）

發(fā)射區(qū)高摻雜，多子密度平衡態(tài)值高，未進(jìn)入大注入工作狀態(tài)，因而仍可認(rèn)為非平衡多子密度的邊界值近似等于平衡態(tài)值。是VjE，不是VBE

3）大注入電導(dǎo)調(diào)制(續(xù))圖2－31大注入時(shí)發(fā)射結(jié)勢壘兩側(cè)的載流子分布4〕大注入工作時(shí)的電流增益和正向傳輸電流(均勻基區(qū))

由于基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，基區(qū)電阻率ρB下降，發(fā)射效率降低，使電流增益下降，此現(xiàn)象稱為Rittner效應(yīng)。

大注入自建電場，在極大注入下，電子擴(kuò)散系數(shù)由DnB變成2DnB，L2nB=Dτ變成2L2nB，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)增加，使電流增益增加。也可以這樣理解：β*=1-IrB/InB=1-τB/τnB，在極大注入下，τB變成小注入下的1/2，基區(qū)復(fù)合減小了，電流增益增加了。大注入基區(qū)內(nèi)建電場減緩大電流增益的下降，通常稱此效應(yīng)為Webster(韋伯斯脫)效應(yīng)。（2.3節(jié)補(bǔ)充公式）4〕大注入工作時(shí)的電流增益和正向傳輸電流(均勻基區(qū))(續(xù))(2--182）我們知道又因?yàn)?2-212)因?yàn)?，VBE==VJE+VBI：（2-213）4〕大注入工作時(shí)的電流增益和正向傳輸電流(均勻基區(qū))(續(xù))代入(2-212)得(2-214）小注入時(shí)正向傳輸電流

極大注入時(shí)帶入（2-213）式可得（2-217）4〕大注入工作時(shí)的電流增益和正向傳輸電流(均勻基區(qū))(續(xù))最后由(2-214)得出極大注入傳輸電流為(2-219)與小注入傳輸電流相比，（2-219）式形式上相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)以下代替：

i）2DnB代替DnB，

ii）ni代替npB0，

iii）VBE/2代替VBE。上述三點(diǎn)是Webster效應(yīng)的要素。利用（2-219）式能夠解釋實(shí)際測量中發(fā)現(xiàn)的大電流時(shí)lnIC～VBE關(guān)系漸近地趨向于斜率為q/2kT直線的現(xiàn)象。極大注入小注入5）緩變基區(qū)晶體管的大注入效應(yīng)小注入：大注入：基區(qū)過剩載流子電荷總量(2-235）（2-237）(2-223）5）緩變基區(qū)晶體管的大注入效應(yīng)(續(xù))根據(jù)（2-24）式給出的基區(qū)渡越時(shí)間定義，Q’B表示為（2-238）將（2-237）式及（2-238）式代人（2-235）式，集電極電流表示式變成

(2-239)極大注入工作，滿足》QB0（2-240）上式表明，緩變基區(qū)晶體管極大注入工作時(shí)

這同（2-219）式所表示的均勻基區(qū)晶體管的結(jié)果是一樣的，所以大電流時(shí)的InIc～VBE測量曲線(斜率為q/2kT直線)也同樣得到了解釋。5）緩變基區(qū)晶體管的大注入效應(yīng)(續(xù))緩變基區(qū)晶體管大注人工作時(shí)的電流增益：

大注入時(shí)SHR和Auger兩種復(fù)合同時(shí)起作用，過剩載流子的復(fù)合幾率為兩種機(jī)構(gòu)復(fù)合幾率之和，因此，可以列出下式基區(qū)復(fù)合項(xiàng)可表示為

實(shí)際測量中觀察到了大電流時(shí)1/hFE與IC間為線性變化關(guān)系，根據(jù)（2-246）式，可以用大注入效應(yīng)解釋這一現(xiàn)象。（2-246）②有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)(Kirk效應(yīng))

有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)是指大電流密度下BJT的有效基區(qū)隨電流密度增加而展寬，準(zhǔn)中性基區(qū)擴(kuò)展進(jìn)入集電區(qū)的現(xiàn)象。C.T.Kirk首先解釋了這一效應(yīng)，所以通常稱之為Kirk效應(yīng)。產(chǎn)生有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)的機(jī)構(gòu)主要有兩種。第一種機(jī)構(gòu)是大電流時(shí)集電結(jié)N-側(cè)耗盡區(qū)中可動(dòng)電荷中和離化的雜質(zhì)中心電荷導(dǎo)致空間電荷區(qū)朝向遠(yuǎn)離發(fā)射結(jié)的方向推移。第二種機(jī)構(gòu)是電中性N-區(qū)上的歐姆壓降隨電流增加而增大，促使反偏集電結(jié)轉(zhuǎn)為零偏和正偏，晶體管進(jìn)入準(zhǔn)飽和態(tài)工作。注入電流對集電結(jié)空間電荷區(qū)電場分布的影響：對N+PN-N+四層結(jié)構(gòu)，從發(fā)射結(jié)注入的電子，在通過集電結(jié)電荷區(qū)時(shí)，對耗盡區(qū)的正(n側(cè))負(fù)(p側(cè))空間電荷分別起著中和和添加作用。使n側(cè)正空間電荷密度減小，p側(cè)負(fù)空間電荷密度增加，電場分布發(fā)生變化。若載流子以速度v通過空間電荷區(qū)，則空間電荷區(qū)自由電子密度為nc，◆均勻基區(qū)晶體管，電中性條件大電流下，空穴的注入使得大電流下電中性正電荷密度增加負(fù)電荷密度減少②有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)(Kirk效應(yīng))圖2－35強(qiáng)場情形下集電結(jié)過渡區(qū)電場分布J=Ja,Jb時(shí)，N側(cè)的空間電荷為正，最大電場在PN處。J=J0，nC=NC時(shí)，dε/dx=0J=J1，

nC>NC時(shí)，N區(qū)變成帶負(fù)電的空間電荷區(qū)，最大電場在N-N+處，PN結(jié)面電場變?yōu)榱?。J>J1，電場為零處發(fā)生在N-區(qū)，WCIB區(qū)為電中性區(qū)－基區(qū)擴(kuò)展區(qū)。

J1規(guī)定為有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)開始起作用的臨界電流密度。CIB:CurrentInductionBase電流感應(yīng)基區(qū)②有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)(縱向Kirk效應(yīng))續(xù)J1≈J0=qNcvl

Vl

載流子的極限漂移速度在弱場情況：(續(xù))

BJT在準(zhǔn)飽和區(qū)工作時(shí)，正偏集電結(jié)向輕摻雜N－區(qū)注入空穴，使得N－區(qū)靠近集電結(jié)勢壘邊界附近積累了大量過剩空穴，在同一區(qū)域內(nèi)還積累了數(shù)量相等的過剩電子，維持該區(qū)域處于準(zhǔn)中性狀態(tài)。N－區(qū)主要是中性電導(dǎo)調(diào)制區(qū)及歐姆導(dǎo)電區(qū)，電導(dǎo)調(diào)制區(qū)積累了過剩載流子，又是準(zhǔn)中性的，同有效基區(qū)十分相似，所以通常將此區(qū)域也稱作電流感應(yīng)基區(qū)，并用WCIB表示其寬度。歐姆導(dǎo)電區(qū)的寬度為WC－WCIB?？紤]到電導(dǎo)調(diào)制區(qū)電阻與歐姆區(qū)電阻相比很小，可以認(rèn)為外加VCB大部分降落在歐姆導(dǎo)電區(qū)上，因而可寫出（2-260）②有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)(縱向Kirk效應(yīng))續(xù)發(fā)射區(qū)中心部分注入到基區(qū)的少子可看作是沿垂直于PN結(jié)平面方向運(yùn)動(dòng)，但是在內(nèi)基區(qū)到外基區(qū)交界處由于存在平行于結(jié)平面方向的密度梯度，所以載流子的運(yùn)動(dòng)是二維的，如果將發(fā)射結(jié)的側(cè)向注入考慮進(jìn)去，可以預(yù)期注入到基區(qū)的載流子將呈現(xiàn)放射狀分布，我們稱這種現(xiàn)象為基區(qū)橫向擴(kuò)展。由于橫向擴(kuò)展，邊緣部分少子渡越基區(qū)的距離增大，渡越時(shí)間加長，從而使器件的基區(qū)平均渡越時(shí)間增加，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)下降。圖2－38基區(qū)橫向擴(kuò)展模型②有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)(縱向Kirk效應(yīng))續(xù)Kirk效應(yīng)對器件特性的影響大注入，用2DnB代替DnB大電流，增大，基區(qū)復(fù)合增大，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)減小，電流增益下降。基區(qū)復(fù)合較大的晶體管，根據(jù)上述分析可解釋大電流下電流增益下降的現(xiàn)象基區(qū)渡越時(shí)間增加，特征頻率下降，fT∝1/τB。②有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)(縱向Kirk效應(yīng))續(xù)③發(fā)射極電流集邊效應(yīng)

大電流下，較大的平行于結(jié)平面的基極電流(多子電流)在狹長的基區(qū)電阻rb上將產(chǎn)生橫向壓降，使發(fā)射結(jié)的正向偏置電壓從邊緣到中心逐漸減小，發(fā)射極電流密度則從中心到邊緣逐漸增大，由此產(chǎn)生發(fā)射極電流集邊效應(yīng)(也稱基區(qū)電阻自偏壓效應(yīng))發(fā)射極有效條寬(2Seff)：規(guī)定：發(fā)射極中心到邊緣處的橫向壓降變化kT/q時(shí)所對應(yīng)的發(fā)射極條寬為發(fā)射極有效條寬。通常用2Seff表示。③發(fā)射極電流集邊效應(yīng)(續(xù))發(fā)射極有效條長(Leff)：與基極電阻自偏壓效應(yīng)類似，在大電流下發(fā)射極電流在金屬電極條長方向引起壓降，引起發(fā)射結(jié)偏壓在條長方向分布不均勻，所不同是前者引起發(fā)射結(jié)基區(qū)側(cè)電位不均勻，后者改變的是發(fā)射區(qū)側(cè)的電位。電極端部至根部兩處的電位差等于kT/q時(shí)所對應(yīng)的發(fā)射極長度稱為發(fā)射極有效條長Leff發(fā)射極金屬條的等效電阻為：若發(fā)射極由n條并聯(lián)而成，則③發(fā)射極電流集邊效應(yīng)(續(xù))

求發(fā)射極單位周長電流容量－－線電流密度I0由于電流集邊效應(yīng)，使得在大電流下晶體管的電流容量不取決于發(fā)射區(qū)面積而是取決于發(fā)射極周長，因此定義線電流密度：

由此可知，影響I0的主要因素是：1）JCM，決定于電流上升時(shí)首先起作用的大電流效應(yīng)。2）hFE，hFE值愈低(或頻率越高)則I0愈小。3）ROB，其值愈高則I0愈小。③發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射極單位周長電流容量－線電流密度I0(續(xù))如果已知I0，乘以發(fā)射區(qū)長度LE，即可直接得出最大工作電流。

在設(shè)計(jì)雙極晶體管圖形時(shí)，I0通常采用下列經(jīng)驗(yàn)值：

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

開關(guān)用BJTI0=（0.16～0.40）

mA／μm除最大工作電流以外，發(fā)射極電流集邊效應(yīng)還影響B(tài)JT的其它參數(shù)，其中主要包括：

1）減小基極電阻。

2）增大集電區(qū)串聯(lián)電阻和飽和壓降。I0經(jīng)驗(yàn)值（0.1mA/μm）③發(fā)射極電流集邊效應(yīng)(續(xù))在發(fā)生發(fā)射極電流集邊效應(yīng)時(shí)，電流－電壓關(guān)系變化規(guī)律：這樣，我們就證明了在強(qiáng)集邊條件關(guān)系是成立的。2

基區(qū)寬變效應(yīng)(Early效應(yīng))

工作在正向有源區(qū)的BJT的集電結(jié)，其空間電荷區(qū)寬度及基區(qū)一側(cè)的擴(kuò)展距離，隨反偏電壓數(shù)值增大而增大，有效基區(qū)寬度因而隨之減小，通常將有效基區(qū)寬度隨集電極——基極偏壓變化，并影響器件特性的現(xiàn)象稱作基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)。J.M.Early首先分析了這種效應(yīng)，所以也稱之為Ear1y效應(yīng)。W'BW'BWBWBxNNP00nB(x)2

基區(qū)寬變效應(yīng)(Early效應(yīng))

Ear1y效應(yīng)在以下五個(gè)方面影響器件特性①共發(fā)射極工作以及共基極工作時(shí)的低頻輸出電導(dǎo)不等于零。②基區(qū)渡越時(shí)間τB都受VCB調(diào)制，VCB增加使WB減小，因而基區(qū)渡越時(shí)間縮短。③影響共發(fā)射極低頻反向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納。反向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納等于輸入電流增量與輸出電壓增量之比，即ΔIB/ΔVCB，電壓增量ΔVCB，將相應(yīng)地產(chǎn)生輸入電流增量ΔIB。2

基區(qū)寬變效應(yīng)(Early效