双极晶体管模型

1、双极晶体管模型和模型参数双极晶体管模型和模型参数PSpice模型参数库中的模型参数库中的Q2N2222模型参数描述模型参数描述.model Q2N2222 NPN (Is=14.34f Xti=3 Eg=1.11 + Vaf=74.03 Bf=255.9 Ne=1.307 Ise=14.34f + Ikf=.2847 Xtb=1.5 Br=6.092 Nc=2 Isc=0 + Ikr=0 Rc=1 Cjc=7.306p Mjc=.3416 + Vjc=.75 Fc=.5 Cje=22.01p Mje=.377 + Vje=.75 Tr=46.91n Tf=411.1p Itf=.6 + Vtf

2、=1.7 Xtf=3 Rb=10)双极晶体管模型和模型参数双极晶体管模型和模型参数一、一、EM1模型模型 (J. J. Ebers J. L. Moll)二、二、EM2模型模型三、三、EM3模型模型四、四、EM1、EM2和和EM3中的模型参数中的模型参数五、其他效应的考虑五、其他效应的考虑一、一、 EM1模型模型 (J. J. Ebers J. L. Moll)1. 基本关系式基本关系式(针对针对NPN晶体管晶体管) 若外加电压为：若外加电压为： Vbe0, Vbc=0 流过流过be的电流为：的电流为： IF=IESexp(qVbe/kt)-1 则则 Ie= -IF , IC=FIF (电流方

3、向以流进电极为正电流方向以流进电极为正) 若外加电压为：若外加电压为： Vbe0, Vbc0 流过流过bc的电流为：的电流为： IR=ICSexp(qVbc/kt)-1 则则 Ie=RIR , IC= -IR 在一般情况下，在一般情况下， Vbe0, Vbc0， 则得：则得： Ie= -IFRIR IC=FIF - IR 这就是晶体管直流特性方程这就是晶体管直流特性方程,包括包括F、R 、IES和和ICS共共4个参数。个参数。 由互易定理，由互易定理，F IESR ICS, 记为记为 F IESR ICS IS (称为称为晶体管饱和电流晶体管饱和电流)， 所以直流特性中只有所以直流特性中只有3

4、个独立参数。个独立参数。取取3个模型参数为个模型参数为F、R 和和IS。 一、一、 EM1模型模型 (J. J. Ebers J. L. Moll)2. 实用关系式实用关系式 对上述方程进行下述处理，可以得到实用的直流特性模型。对上述方程进行下述处理，可以得到实用的直流特性模型。 记记 FIFF IESexp(qVbe/kt)-1 ISexp(qVbe/kt)-1ICC CC：Collector Collected RIRR ICSexp(qVbc/kt)-1 ISexp(qVbc/kt)-1IEC EC：Emitter Collected 代入前面方程，得：代入前面方程，得： Ie=-IFR

5、IRICC/F+IEC =(-ICC/F+ICC)-(ICC-IEC) =-ICC/F-ICT (ICTICC-IEC) IC= FIF - IR= ICC- IEC/R =(ICC- IEC)-(IEC/R-IEC) =ICT-IEC/R2. 实用关系式实用关系式 Ie=-ICC/F-ICT IC=ICT-IEC/R 这就是实用双极晶体管直流特性模型，共有这就是实用双极晶体管直流特性模型，共有3个模型参数：个模型参数：IS、F和和R 这这3个参数个参数记为：记为： IS(晶体管饱和电流晶体管饱和电流) BF(正向电流放大系数正向电流放大系数) BR(反向电流放大系数反向电流放大系数)。 考虑

6、到电流和电压的指数关系是考虑到电流和电压的指数关系是exp(qVbc/NFkt)和和exp(qVbe/NRkt) 则直流模型中还要包括两个模型参数则直流模型中还要包括两个模型参数: NF(正向电流发射系数正向电流发射系数) NR(反向电流发射系数反向电流发射系数)。 一、一、 EM1模型模型 (J. J. Ebers J. L. Moll)Ie=-ICC/F-ICTIC= ICT-IEC/R二、二、EM2模型模型 在表示直流特性的在表示直流特性的EM1模型基础上，再考虑串联电阻、势垒电容和模型基础上，再考虑串联电阻、势垒电容和扩散电容，就得到考虑寄生参数和交流特性的扩散电容，就得到考虑寄生参数

7、和交流特性的EM2模型。模型。1. 串联电阻串联电阻 考虑考虑3个电极的串联电阻，新增个电极的串联电阻，新增3个模型参数：个模型参数：RB、RE和和RC。2. 势垒电容势垒电容 反偏情况下势垒电容的一般表达式为：反偏情况下势垒电容的一般表达式为：CJCT0(1-V/VJ)-mj 一共有一共有3个参数。个参数。 其中其中CT0是零偏势垒电容，与结面积以及工艺有关；是零偏势垒电容，与结面积以及工艺有关； VJ是势垒内建电势，与材料类型以及掺杂浓度有关；是势垒内建电势，与材料类型以及掺杂浓度有关； mj是电容指数，与结两侧杂质分布情况有关。是电容指数，与结两侧杂质分布情况有关。 考虑考虑eb结势垒电

8、容，新增结势垒电容，新增3个模型参数：个模型参数： CTE0、VJE和和MJE。 考虑考虑bc结势垒电容，新增结势垒电容，新增3个模型参数：个模型参数： CTC0、VJC和和MJC 考虑衬底结势垒电容，新增考虑衬底结势垒电容，新增3个模型参数：个模型参数：CTS0、VJS和和MJS 在正偏条件下，势垒电容的表达式为：在正偏条件下，势垒电容的表达式为： CJ=CT0(1-FC)-(1+mj)(1-FC(1+mj)+mjV/VJ) 又新增一个模型参数又新增一个模型参数FC(势垒电容正偏系数势垒电容正偏系数)。二、二、EM2模型模型3. 扩散电容扩散电容 发射结扩散电容为：发射结扩散电容为：CdeF

9、(qICC/kT) 新增模型参数：新增模型参数：TF(正向渡越时间正向渡越时间) 集电结扩散电容为：集电结扩散电容为：CdcR(qIEC/kT) 新增模型参数：新增模型参数：TR(反向渡越时间反向渡越时间) 因此，因此，EM2模型中新增模型中新增15个模型参数。个模型参数。4. EM-2模型和模型和EM-1模型模型 对对EM2模型，模型，RB、RE、RC、CTE0、CTC0、CTS0、TF和和TR这这8个个参数的内定值均为参数的内定值均为0。 若全部采用内定值，若全部采用内定值，EM2模型将简化为模型将简化为EM1模型。模型。 二、二、EM2模型模型三、三、EM3模型模型 EM1和和EM2是描

10、述晶体管直流和交流特性的基本模型。是描述晶体管直流和交流特性的基本模型。 进一步考虑晶体管的二阶效应，包括基区宽度调制、小电流下进一步考虑晶体管的二阶效应，包括基区宽度调制、小电流下复合电流的影响、以及大注入效应等，就成为复合电流的影响、以及大注入效应等，就成为EM3模型。模型。1. 基区宽度调制效应基区宽度调制效应(Early效应效应) (1) 基区宽度调制效应的影响基区宽度调制效应的影响 随着随着|Vbc|的增加，使有效基区宽度的增加，使有效基区宽度Xb减小，从而使减小，从而使Is增加、增加、增增加，而渡越时间加，而渡越时间则减小。因此，需要定量表征基区宽度调制效应则减小。因此，需要定量表

11、征基区宽度调制效应对这些参数的影响。对这些参数的影响。 (2) 正向正向Early电压电压 采用正向采用正向Early电压电压VA描述基区宽度调制效应。描述基区宽度调制效应。 三、三、EM3模型模型 (3) 反向反向Early电压电压 可以采用同样方法考虑晶体管反向放大状态下可以采用同样方法考虑晶体管反向放大状态下Veb的作用，的作用，引入反向引入反向Early电压，记为电压，记为VB。 因此，考虑基区宽度调制效应，引进了两个新的模型参数因此，考虑基区宽度调制效应，引进了两个新的模型参数VA(正向正向Early电压电压)和和VB(反向反向Early电压电压)。 这两个模型参数的内定值均为无穷大

12、。这就是说，若采用这两个模型参数的内定值均为无穷大。这就是说，若采用其内定值，实际上就不考虑基区宽度调制效应。其内定值，实际上就不考虑基区宽度调制效应。三、三、EM3模型模型2. 大电流和小电流下电流放大系数大电流和小电流下电流放大系数减小现象的描述减小现象的描述 (1) 小电流效应的表征小电流效应的表征 在小电流下，电流放大系数减小的原因是由于势垒复合和基区表面复合在小电流下，电流放大系数减小的原因是由于势垒复合和基区表面复合效应，使基区电流所占的比例增大。效应，使基区电流所占的比例增大。 为此，引入下述基区复合电流项描述为此，引入下述基区复合电流项描述be结的影响：结的影响： Ib(复合复

13、合)=I2ISEexp(qVbe/NekT)-1 对对bc结，采用同样方法，引入又一项基区复合电流：结，采用同样方法，引入又一项基区复合电流： I4ISCexp(qVbc/NckT)-1 相当于等效电路中相当于等效电路中IB增加两个电流分量。增加两个电流分量。 因此，要考虑基区复合电流的影响，需新增下述因此，要考虑基区复合电流的影响，需新增下述4个模型参数描述小电个模型参数描述小电流下复合电流对电流放大系数的影响：流下复合电流对电流放大系数的影响： ISE(发射结漏饱和电流发射结漏饱和电流) ISC(集电结漏饱和电流集电结漏饱和电流) NE(发射结漏电流发射系数发射结漏电流发射系数) NC(集

14、电结漏电流发射系数集电结漏电流发射系数) 三、三、EM3模型模型I2ISEexp(qVbe/NekT)-1I4ISCexp(qVbc/NckT)-1三、三、EM3模型模型(2) 大注入效应的表征大注入效应的表征 大电流下，由于大注入效应，使大电流下，由于大注入效应，使ICC随结电压随结电压V的增加变慢，从的增加变慢，从exp(qV/kT)关系关系逐步变为逐步变为exp(qV/2kT)。为此，只需将。为此，只需将ICC表达式作下述修正，等效电路无需变化：表达式作下述修正，等效电路无需变化：ICC=ISexp(qVbe/kT)-1/1+(IS/IKF)exp(qVbe/2kT) 显然，在一般注入下

15、，分母项近似等于显然，在一般注入下，分母项近似等于1，则，则ICC=ISexp(qVbe/kT)-1 在大注入情况下，分母中在大注入情况下，分母中1可以忽略不计，则可以忽略不计，则ICC=ISexp(qVbe/2kT) 对对bc结，作同样分析，得：结，作同样分析，得：IEC=ISexp(qVbc/kT)-1/1+(IS/IKR)exp(qVbc/2kT) 因此，考虑大注入效应，新增两个模型参数：因此，考虑大注入效应，新增两个模型参数： IKF：表征大电流下正向电流放大系数下降的膝点电流：表征大电流下正向电流放大系数下降的膝点电流 IKR：大电流下反向电流放大系数下降的膝点电流大电流下反向电流放

16、大系数下降的膝点电流三、三、EM3模型模型3. 基区扩展效应对渡越时间的影响基区扩展效应对渡越时间的影响 由于基区扩展效应由于基区扩展效应(Kirk效应效应)等的影响，使渡越时间随工作电压和工作等的影响，使渡越时间随工作电压和工作电流发生变化。电流发生变化。 为此采用下述表式进行修正：为此采用下述表式进行修正：TF=TF01+XTF(ICC/(ICC+ITF)2exp(Vbc/1.44VTF) 新增新增3个模型参数。个模型参数。 XTF(表征偏置条件对渡越时间影响的偏置系数表征偏置条件对渡越时间影响的偏置系数)； ITF(表征表征ICC对渡越时间影响的特征电流对渡越时间影响的特征电流)； VTF(表征表征Vbc对渡越时间影响的特征电压对渡越时间影响的特征电压)。四、四、EM1、EM2和和EM3中的模型参数中的模型参数 上面介绍的基本等效电路中涉及上面介绍的基本等效电路中涉及29个模型参数。下表总结了每个参数个模型参数。下表总结了每个参数对应的物理模型，以及在哪种工作状态下必需考虑该参数。对应的物理模型，以及在哪种工作状态下必需考虑该参数。基本的双极晶体管模型参数基本