双极性晶体管模型缓变基区晶体管半导体器件物理教学课件PPT.ppt
3.4、3.5,双极型晶体管模型缓变基区晶体管,一 缓变基区晶体管,这个电场沿着杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运这时电子通过扩散和漂移越过基区薄层，致使输运因子增加。,实际晶体管杂质分布是不均匀的，缓变的发射区掺杂对晶体管性能的影响很小，将予以忽略。基区的缓变杂质分布要引入一个自建电场：,P型半导体,N型半导体,？,杂质分布,x,爱因斯坦关系式,对大多数平面晶体管，基区复合可以忽略，则上式 In 是常数。,对于正向有源模式（np0(xB)=0），基区电子分布为：,总的杂质原子数，称为根梅尔数。,xB,代替np0(0),为了计算基区输运因子，把整个基区复合电流取为：,根据基区输运因子的定义：,任意基区杂质分布的基区输运因子的一般表示式,均匀基区,晶体管的反向电流主要有：ICBO、IEBO、ICEO。反向电流对晶体管放大作用没有贡献，它消耗了一部分电源的能量，甚至影响晶体管工作的稳定性，因此反向电流要尽可能的小。,二 晶体管的反向电流,1、集电极反向电流（发射极开路）,其反向电流由三部分组成：1、反向扩散电流 IR2、空间电荷区的产生电流 Irg3、表面漏电流 Is,ICBO,(IE=0),IEBO,2、发射结反向电流（集电极开路）,Ge-晶体管，IEBO主要是反向扩散电流 IR Si-晶体管，IEBO主要是发射结空间电荷区的产生电流 Ig,IEBO,(IC=0),3、集电极发射极间的穿透电流（基极开路）,ICEO不受基极电流的控制一般比ICBO大。,ICEO,发射结正偏集电结反偏,(IB=0),ICEO,基极开路,三 双极型晶体管模型,为了更容易地分析含有BJT的电子电路，通常将BJT模拟为二端电路元件。提出过多种模型来概括双极型晶体管的电学特性，其中得到广泛使用的是：Ebers-Moll(E-M)模型和Gummel-Poon(G-P)模型E-M模型使器件的电学特性和器件的工艺参数相联系G-P模型建立在器件电学特性和基区多子电荷相联系的基础之上,（一）埃伯斯-莫尔方程（E-M模型）,包括两个二极管和两个电流源。对于一个NPN晶体管，基区发射区结和基区集电区结用具有共同P区的两个背靠背的二极管描述。,晶体管有四种工作模式，取决于发射结和集电结的偏置状况：,1、工作模式和少子分布,VE0，VC0,VE0，VC0,VE0，VC0,VE0,四种工作模式对应的载流子分布,2、埃伯斯-莫尔方程,对于xBLn情况下，基区少子电流简化为：,暂时把发射结空间电荷区复合电流看作外部电流,回顾：,类似有：,注意到：a12=a21,*此结果对任何形状的晶体管均有效，称为埃伯斯-莫尔方程,3、等效电路,把NPN晶体管看作两个背靠背的互相有关联的二极管，这种关联是指一个二极管正向电流的大部分流入另一个反向偏置的二极管,在反向有源工作模式下，集电结正向偏置，发射结是反向偏置。集电结二极管电流表示为IR，它是集电结电压VC的函数，在发射结有电流aRIR流过；aR叫做反向共基极电流增益。,除去空间电荷区复合电流，流过发射结的工作电流表示为IF，是发射结电压VE的函数，在正向有源模式下，IF 的绝大部分aFIF 流入集电极。aF叫做正向共基极电流增益。,电流源,电流源,根据上图，可得：,IF0、IR0分别是二极管的反向饱和电流,端电流为：,E-M 方程,由于：a12=a21，有：,互易关系,该式把E-M模型的参数IF0、IR0、aF、aR通过a11、a12、a21、a22同器件的公共参数相联系。,G-P模型的主要特点是把双极型晶体管的电学性质和基区多子电荷的积分形式联系在一起，问题转化为基区的电荷模型:,（二）G-P模型,1、基区多子电荷,有5个分量组成：,1、QB0代表热平衡时(VBE=VBC=0)基区的多子电荷总量2、QjE代表发射结正偏时其耗尽区宽度变化而使基区多子电荷增加的数量3、QjC代表集电结正偏时其耗尽区宽度变化而使基区多子电荷增加的数量4、QdE代表发射结正徧、集电结零偏时基区中多子电荷的增加量5、QdC代表集电结正偏、发射结零偏时基区中多子电荷的增加量,平衡时(VBE=VBC=0)基区的多子电荷总量,有外加电压时，基区边界将发生移动，造成基区内的电荷存储，这些附加电荷从物理上可区分为其后所述的4个分量。,QjE代表发射结正偏时其耗尽区宽度变化而使基区多子电荷增加的数量，故又可通过发射结电容CjE表示为：,引入：,V/A称为逆向Early电压,QjC代表集电结正偏时其耗尽区宽度变化而使基区多子电荷增加的数量。故又可通过集电结电容CjC表示为：,或：,VA称为Early电压,习惯上把集电结引起的基区宽度变化称为Early(厄尔利)效应,由共发射极输出特性曲线确定VA,由于电子和空穴成对存储，QdE和QdC为注入存储使基区多子电荷增加的数量。其中，QdE代表发射结正徧、集电结零偏时基区中多子电荷的增加量：,可以把这部分电荷与正向传输电流ICE联系起来：,基区渡越时间,QdC代表集电结正徧、发射结零偏时基区中多子电荷的增加量，它同反向传输电流IEC联系为：,反向基区渡越时间,代表基区中存储电荷的数量,基区展宽系数，小注入是为1,在QB的五个量中，QB0、QjE、QjC三个分量是和基区杂质分布有关的多子电荷量，QdE、QdC二个分量是由于注入存储在基区中的多子电荷量。小注入时，注入的电荷和掺杂相比是可以忽略的，所以前3个分量是QB的主要成分，只有大注入时后2个分量才变得显著。,分析说明：,总结上述分析，QB可以表示成：,令：,则有：,解得,2、等效电路与端电流,计入欧姆电阻rE、rB和rC，以及产生-复合电流IER和ICR 后，可得NPN晶体管的等效电路，图中IER和ICR可分别表示为：,I1、I2和mE、mC是通过实验来确定的参量，不受外加电压直接控制。,则，基极电流为：,提供基区多子增量的电流，包括对结电容CjE、CjC和扩散电容CdE、CdC的充电。,集电极电流为：,发射极电流为：,NPN晶体管G-P等效电路图,
