BJT 大电流特性课件

2.8大电流效应和基区宽变效应(Early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)以及发射极电流集边效应。大电流效应严格地说应该称为大电流密度效应。原因：小尺寸器件，总电流不一定很大，但电流密度很大，也会出现这些效应。大电流效应研究BJT工作在正向有源区（放大区）时出现的大电流密度效应.①大注入效应

1）什么是大注入：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NPN晶体管（a）小注入

（b）大注入基区载流子分布(a)(b)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，因电中性要求，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，且因集电结势垒的阻挡作用在集电结边界处积累，而离化的受主中心固定不动，由此造成正负电荷分离，建立电场。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。

考虑到大注入电场后，基区电子电流密度为对于均匀基区，dNB/dx=0，上式变为若忽略基区复合，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nb（WB）＝0，大注入正向传输电流密度表达式小注入nb<<NB，极大注入nb>>NB，形式上少子扩散系数乘以2：基区电流中，基区自建电场所产生的少子漂移分量和分布梯度所产生的少子扩散分量相等，Dn→2Dn，说明大注入内建电场对注入载流子的输运起加速作用。当注入很大时，基区少子将受到大注入自建电场的作用；同时大注入电场产生的漂移分量和分布梯度所产生的扩散分量相等，从扩散流的角度，相当于扩散系数比小注入时增大了一倍。

大注入电场对基区渡越时间的影响:(均匀基区晶体管)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”)大注入时发射结势垒两侧的载流子分布

3）大注入电导调制效应大注入工作时，基区非平衡多子密度的大量增加，因而使基区电导率明显增大，这就是基区电导调制。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制主要有两种。第一种机制是大电流时集电结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。第二种机制是电中性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。强场情形、弱场情形由集电结的VCB的大小来划分。讨论方法：VCB=常数，改变JC。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-交界处。J=J0，nC=NC时，dE/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。强场下

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。忽略正偏集电结势垒区在集电区一侧的微小宽度，则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。两种机制虽然原理各不相同，但对于任意给定的VBC，只要Jn增加到超过临界值，有效基区扩展效应都将发生。基区横向扩展模型②有效基区扩展效应(横向Kirk效应)

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，如果电流密度大，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，一方面使实际流过电流的集电结有效面积大于发射结面积；另一方面，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，使电流增益减小，频率特性变坏。Kirk效应对器件特性的影响大电流，b

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b增加，特征频率下降，fT∝1/τb。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)P148图。集电极最大允许工作电流如图，大电流下,ß0

随IC增加而下降，因而限制了晶体管的最大工作电流。

定义:

共射极直流短路电流放大系数下降到最大值一半时所对应的集电极电流为集电极最大工作电流ICM。基区宽变效应(Early效应)P95工作在正向有源区的BJT的集电结，其空间电荷区宽度随集电结反向偏压数值增大而增大，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VBC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Early效应。◆曲线分散的原因：Vce↑将导致Wb↓：①基区少子浓度梯度↑，注入电流↑，β0

↑②基区内复合减少，β0

↑(BJT电流增益随Vce升高而增大)厄尔利电压VEA（基区宽变效应）-④使电流增益随VCB增加而上升。首先，VCB上升时基区渡越时间缩短，因而基区输运系数β*增大。其次，固定VEB也就是向发射区注入的电流不变，VCB上升时IC随之上升，因而注入效率增大。所以hFE的上升是由于γ0、β*两种因素都起了作用。⑤引起集电极扩散电容CDC。基区过剩载流子电荷ΔQ’B随VCB增大而减少，依据这一电容效应所定义的参数为集电极扩散电容CDC=ΔQ’B/ΔVCB。一些异常特性曲线分析：(1)特性曲线倾斜：原因：表面漏电引起。表面沾污或材料缺陷多等引起集电结漏电。(2)特性曲线分散：只有IB=0的线是平坦的。WB0太小，Early效应使输出阻抗降低，并因增益不均匀引起信号失真，高压时增益太高