BJT 大电流特性解析

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.
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：
由
dp J p q p pE qDP P 0 dx
kT 1 dp E q p dx
准中性： PP nb ( x) N B ( x)
kT 1 d (nb N B ) kT N B 1 dNB 1 dn b E ( ） q nb N B dx q nb N B N B dx nb N B dx
基区横向扩展模型
Kirk效应对器件特性的影响
(WB 0 WCIB ) 2 b 大电流， b 增大，基区复合增大，基区 2 Dn 输运系数减小，电流增益下降。基区复 b * 合较大的晶体管，根据上述分析可解释 0 1 大电流下电流增益下降的现象
nB
基区渡越时间b增加，特征频率下降，fT∝1/τb。
考虑到大注入电场后，基区电子电流密度为
dn J n q n nb E qDn b dx
nb d dnb nb N B qDnB dx nb N B dx
对于均匀基区，dNB/dx=0，上式变为
Jn
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

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=Dτ 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。
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。
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
P pB P pB PpB0 n pB n pB0 NAB PpB0 npB
NPN晶体管（a）小注入
（b）大注入
基区载流子分布
(a)
x
ε
x
(b)
P pB P pB PpB0 n pB n pB0 x ε x NAB PpB0 npB
N-
+ N
C
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 0
Jc
x WC
强场情形下集电结过渡区电场分布
J1规定为有效基区扩展效应开始 起作用的临界电流密度。
J=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。
2 S (VCB VBJC ) J1 qvl N C 2 qW C
弱场下
固定VBC而增加工作电流时，BJT将从正向有源区转入准饱和区 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。
n nE0 n nE p pB ppB0 P nE PnE0 -x E 0 n pB NAB n P B0 x
大注入时发射结势垒两侧的载流子分布
4〕大注入工作时的电流增益 (均匀基区)
I C I nB (WB ) I PC I nB (WB ) I nB (0) I nB (WB ) 0 0* IE IE IE I E I nB (0)
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。
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。
注入电流对集电结空间电荷区电场分布的影响：

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 随nC的增加，n侧 的 | dE/dx| 随 nC 的 增加而减小。
-
◆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）
EWB WB2 1 2 BWE 2LnB
N B ' B 由于基区电导调制效应， B N n pb B q pb ( N B n pb )

1

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。
qDn Jn WB nb (0) 2nb (0) N B ln 1 N B
1 dnb qDn 2 dx nb 1 NB
小注入nb<<NB， 极大注入nb>>NB，
dnb J n qDn dx
集电极最大允许工作电流
• 如图 ， 大电流下, ß 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 0 下降到最 大值 om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。
dnb J n 2qDn dx
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。
Q'B B IC
Q' B 1 qAEWB nb (0) 2
I C 2qAE Dn
nb (0) WB
WB2 B 4Dn
fT B
2 WB 2 Dn
1
小注入时为 B
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。
d q N C nC q N C J C / qv N侧 dx s 0 s 0
q N B nC q N B J C / qv d P侧 dx s 0 s 0
强场下
E N+
B
P |E| Ja Jb J1 WCIB
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。

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。
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。
fT β
Ik
IC
Ik
IC
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。
L e J e (y) dy I B(y) I B(y) +dI B
E
以集电结结电压 VJC ＝ 0 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
E
N
+
P
N
_ຫໍສະໝຸດ Baidu
N
+ C
n P 0 ' WCIB W W CIB C X
VCB J 2 q nc N C WC
E E N + P N _ N + C
n P 0 ' WCIB W W CIB C X
SE B E n p n 0 B IB y
Wb dy Le J c (y) dy
横向压降为：
1/ 2 kT Rb 1 J E (0) kT V ( y) ch y q kT / q q
随y的增加（SE越宽），R□B越大，横向压降越大， 发射极电流集边效应越显著。
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。
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。
VBI E dx
0 WB
因为
kT 1 d (nb N B ) E q nb N B dx
VBI
n (0) N B kT ln b q nb WB N B
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” ) 大注入电场对基区渡越时间的影响:(均匀基区晶体管)