14第三章晶体管效应(3.6-3.7)讲解.ppt

大注入效应（基区电导调制/Webster Effect） * Physics of Semiconductor Devices * 基区扩展电阻和电流集聚 基区宽度调变效应 § 3.6、 § 3.7 一 基区扩展效应(Kirk Effect) 1、 基区纵向扩展效应 当通过集电区的电流密度大于jcr 时，集电结空间电荷区将往衬底方向移动，使有效基区宽度Wb增大。 集电极电子的平均漂移速度 集电结临界饱和电流 N+P-NN+ 通常载流子的平均漂移速度随着电场的增大而增加，但当电场增大到一定程度时，载流子的漂移速度将得到极限值，此时对应的电场用 EC 来表示，则当 E EC 后，即使电场再增大，载流子的漂移速度也不会变化了。 1、称 E EC 的情况为弱场情况，此时载流子的平均漂移速度随着电场的增大而增加； 2、称 E EC 的情况为强场情况，此时载流子的漂移速度已得到极限值。 (1) 弱场情况 在弱场情况下，集电区电场相对较弱，载流子的平均漂移速度基本上与电场成正比，可以通过增大集电区的电场来增大载流子的平均漂移速度，使得通过集电区的电流密度 jc 大于jcr，从而使得IC不断增大。但是，随着IC的进一步增大，集电区内电场也随着进一步增大，而电场分布曲线下的面积总等于?UTC ?。因此，电场区使集电区向衬底方向收缩而变窄，使有效基区宽度增大。 若jc 比 jcr大得越多，Wb 扩展得也越大，这种扩展现象称为弱场下的基区纵向扩展效应。 弱场情况：集电区电流密度大于 jcr ，但载流于的平均漂移速度基本上与电场成正比的情况。 弱场和情况的基区纵向扩展效应和电场分布 ?UTC ? ?UTC ? ?UTC ? 基区纵向扩展 集电区向衬底方向收缩 强场情况是指在集电极电流密度大于jcr，且E EC时。集电区内的电场足够大，载流子将以极限漂移速度通过集电区。在此情况下，为了使 jc jcr ，只有增加载流子浓度n，使之大于Nc，此时集电区内出现负空间电荷，其密度为 q(n－Nc)，因此集电区变为负空间电荷区，使其电场分布不再是均匀的。但电场分布曲线下的面积仍应等于?UTC ?，所以随着 jc 的增大，负空间电荷密度也增大，集电区电场就往衬底方向收缩而变窄，使Wb增大，发生基区纵向扩展效应。这种扩展现象称为强场下的基区纵向扩展效应。 (2) 强场情况 强场情况的基区纵向扩展效应和电场分布 ?UTC ? ?UTC ? ?UTC ? 2 基区横向扩展效应 这种观点认为通过集电区电流密度不能大于 jcr ，而IC 的增加是靠增加电流通道的有效面积来实现的。 假定集电结流过电流的面积等于发射结面积Ae，通过集电极的临界电流 Icr＝jcr Ae 。由于集电区所能通过的电流密度有一定的限制，所以在IC Icr 时，注入基区的电子流必将沿基区横向(平行于结的方向)散开。以增大集电结电流通道的面积，由图可见，基区横向扩展效应使得一部分电子通过基区的路程加长了，相当于有效基区Wb 增大。 例如： 基区横向扩展效应示意图 对于图形相同的晶体管，发生基区纵向扩展效应时所对应的临界集电极电流密度 jcr 除了取决于集电区杂质浓度外，还与集电区厚度有关，集电区厚度越小，这个电流也越小。 路程加长 3 基区扩展效应对晶体管电特性的影响 晶体管电流放大系数： 大电流下的基区扩展效应，将使晶体管的电流放大系数和特征频率迅速下降。 二 基区扩展电阻和电流集聚 基极电流是多数载流子电流，它的流动方向垂直于由发射极注入的少数载流子电流。 基区中的横向基极电流和欧姆电压降，导致在 x=0处有最大的正向偏压 这种基极电流在无源和有源的基区都要产生横向的电位降，电位降减少了在发射结上的正向偏压，在靠近接触的边缘处正偏压比有源区中心处的大。从而导致少数载流子的注入从基区边缘起随着向内的深度而下降。非均匀的载流子注入使得沿着发射结出现非均匀的电流分布，造成在靠近结边缘处有更高的电流密度，这种现象称为：电流聚集效应（发射极电流集边/基区电阻自偏压效应）。 电流集聚减少了晶体管的有源区的有效面积。为了减小这种效应，功率晶体管通常设计成具有高的周界面积比。 中功率双极型晶体管指状交叉图形 在很大的电流范围内，可用一个恒定的电阻表示有源区。有源和无源基极电阻的总和称为基极扩展电阻rbb/。若晶体管的几何形状可知，则可计算基极扩散电阻。在通常情况下，晶体管基区被划分为若干部分。 条状晶体管的基极扩散电阻，近似表示为： 有源电阻 无源电阻 三 基区宽度调变效应 根据： 在共发射极电路中，当VCE0时对于给定的基极电流，集电极电流IC应该与VCE无关，即曲线的斜率应为零。但实际上却随电压的增加而增加，这种现象是由于晶体管基区的宽度调变效应，也称为Early效应。 解释： 可