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双极型晶体管模型双极型晶体管模型缓变基区晶体管缓变基区晶体管一一 缓变基区晶体管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：个自建电场：P型半导体N型半导体？杂质分布x爱因斯坦关系式对对大多数平面晶体管，基区复合可以忽略，则上式大多数平面晶体管，基区复合可以忽略，则上式 In 是常数对于正向有源模式（对于正向有源模式（ np0(xB)=0 ），基区电子分布为：），基区电子分布为：总的杂质原子数，称为根梅尔数xB代替代替np0(0)为了计算基区输运因子，把整个基区复合电流取为：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：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晶体管的晶体管的反向电流主要有：主要有：ICBO 、、 IEBO 、、 ICEO。

反向电流对晶体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体管工作的稳定性，因此反向电流要尽可能的小二二 晶体管的反向电流晶体管的反向电流1 1、集电极反向电流（发射极开路）、集电极反向电流（发射极开路）其反向电流由三部分组成：其反向电流由三部分组成：1、反向扩散电流、反向扩散电流 IR2、空间电荷区的产生电流、空间电荷区的产生电流 Irg3、表面漏电流、表面漏电流 IsICBO(IE=0) IEBO2 2、发射结反向电流（集电极开路）、发射结反向电流（集电极开路）Ge-晶体管，晶体管， IEBO主要是反向扩散电流主要是反向扩散电流 IR Si-晶体管，晶体管， IEBO主要是发射结空间电荷区的产生电流主要是发射结空间电荷区的产生电流 Ig IEBO(IC=0)3 3、集电极发射极间的穿透电流（基极开路）、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三三 双极型晶体管模型双极型晶体管模型为为了了更更容容易易地地分分析析含含有有BJT的的电电子子电电路路，，通通常常将将BJT模模拟拟为为二二端端电电路路元元件件。

提提出出过过多多种种模模型型来来概概括括双双极极型型晶晶体体管管的的电电学学特特性性，，其中得到广泛使用的是：其中得到广泛使用的是：Ebers-Moll(E-M)模型和模型和Gummel-Poon(G-P)模型模型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（一）埃伯斯- -莫尔方程（莫尔方程（E-ME-M模型）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 1、工作模式和少子分布、工作模式和少子分布VE>0，， VC<0VE>0，， VC>0VE<0，， VC<0VE<0，， VC>0四种工作模式对应的载流子分布2 2、埃伯斯、埃伯斯- -莫尔方程莫尔方程对于对于xB<

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：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：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模模型型的的主主要要特特点点是是把把双双极极型型晶晶体体管管的的电电学学性性质质和和基基区区多多子子电电荷荷的的积积分分形形式式联联系系在在一一起起，，问问题题转转化化为为基基区区的的电电荷荷模模型型:（二）（二） G-PG-P模型模型1、基区多子电荷、基区多子电荷有有5个分量组成：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：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可以把这部分电荷与正向传输电流ICE联系起来：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，它同反向它同反向传输电流传输电流IEC联系为：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：分析说明： 总结上述分析，总结上述分析， QB可以表示成：可以表示成：令：令：则有：则有：解得解得2、等效电路与端电流、等效电路与端电流计入欧姆电阻计入欧姆电阻rE、、 rB和和rC，，以及产生以及产生-复合电流复合电流IER和和ICR 后，可后，可得得NPN晶体管的等效电路，图中晶体管的等效电路，图中IER和和ICR可分别表示为：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：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和和扩散电容扩散电容CdE 、、 CdC的充电集电极电流为：集电极电流为：发射极电流为：发射极电流为：NPN晶体管G-P等效电路图。