1、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.,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
2、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。,当自建电场促使的空穴漂移电流与扩散电流大小相等时，达动态平衡。大注入内建电场的表达式：,准中性：,第一项表示在大注入下，由基区杂质分布梯度产生的有效电场，对均匀基区，这一项等于零。第二项表示少子(电子)注入基区后，为维持电中性，积累相应的空穴而产生的大注
3、入自建电场，它随注入水准的提高而增强。极大注入时，均匀和缓变基区晶体管，基区自建电场都由注入的少子载流子分布梯度dnb(x)/dx决定。,由,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0WB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nbNB，,极大注入nbNB，,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，Dn2Dn，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
4、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,VBEVBI +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
5、就是基区电导调制。,由于基区电导调制效应，电阻率下降，发射效率降低，使电流增益下降，此现象称为Rittner效应。 大注入自建电场，在极大注入下，基区电子扩散系数由DnB变成2DnB，L2nB=D变成2L2nB，基区输运系数增加，使电流增益增加。大注入基区内建电场减缓大电流增益的下降，通常称此效应为Webster(韦伯斯特)效应。,4大注入工作时的电流增益 (均匀基区),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
6、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。,对N+PN-N+四层结构，从发射结注入的电子，在通过集电结电荷区时，对耗尽区的正(n侧)负(p侧)空间电荷分别起着中和和添加作用。使n侧正空间电荷减小，p侧负空间电荷增加，电场分布发生变化。设通过集电结势垒区的电子密度为nc。计入运动载流子对空间电荷区的影响时，n侧正空间电荷密度变
7、为NC-nC，p侧负空间电荷密度变为NA+nC，空间电荷区的泊松方程变为,注入电流对集电结空间电荷区电场分布的影响：,N侧,P侧,随nC的增加，n侧的|dE/dx|随nC的增加而减小。,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=0 J=J1， nCNC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。 JJ1，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,固定VBC而增加工作电流时，BJT将从正向有源区转
8、入准饱和区工作。这是因为集电区杂质浓度NC较低，随着电流的增大，集电区串联电阻rCS上的压降增大，在VCB不变的情况下，使集电结正偏，从而晶体管进入准饱和状态。,以集电结结电压VJC0为条件推导从正向有源区过渡到准饱和区工作的临界电流密度表示式，以J2表示这一电流密度，则,弱场下,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，
9、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WCWCIB。,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,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
10、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，fT1/b。,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。,随y的增加（SE越宽），R
11、B越大，横向压降越大，发射极电流集边效应越显著。,横向压降为：,集电极最大允许工作电流,如图 ， 大电流下, 0 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
12、将导致Wb：基区少子浓度梯度，注入电流， 0 基区内复合减少，0 (BJT电流增益随Vce升高而增大),厄尔利电压VEA（基区宽变效应）,-,Ear1y效应在以下五个方面影响器件特性 共发射极工作以及共基极工作时的低频输出电导不等于零。 基区渡越时间B都受VCB调制，VCB增加使WB减小，因而基区渡越时间缩短。 影响共发射极低频反向转移导纳。反向转移导纳等于输入电流增量与输出电压增量之比，即IB/VCB，电压增量VCB，将相应地产生输入电流增量IB。,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*增大。其次，固定VEB也就是向发射区注入的电流不变，VCB上
13、升时IC随之上升，因而注入效率增大。所以hFE的上升是由于0、 *两种因素都起了作用。引起集电极扩散电容 CDC 。基区过剩载流子电荷QB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=QB/VCB。,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，高压时增益太高也会使晶体管工作的稳定性降低，有碍于晶体管正常工作。,(3)沟道漏电：,IB=0时IC较大，C-E间叠加了沟道电流。 沟道效应是使pnp管较npn管难制造的重要原因。pnp易表面反型形成n沟，横向延伸增大了结面积，大大增加了漏电，破坏了结特性。可加P+切断环。,(4)低击穿：但击穿硬。原因：c-e穿通，或c-b结低击穿。应选缺陷少材料，工艺中注意消除毛刺、避免高浓度合金点。,(5)管道型击穿：这也是一种低击穿，因第一次击穿后在击穿点附近形成了一个电阻型导电通道而得名。缺陷或出现合金点，使pn结不平整，局部击穿后，尖峰处成为电阻型导电通道。,
