雙極晶體管模型

1、雙極晶體管模型和模型參數(shù)雙極晶體管模型和模型參數(shù)PSpice模型參數(shù)庫(kù)中的模型參數(shù)庫(kù)中的Q2N2222模型參數(shù)描述模型參數(shù)描述.model Q2N2222 NPN (Is=14.34f Xti=3 Eg=1.11 + Vaf=74.03 Bf=255.9 Ne=1.307 Ise=14.34f + Ikf=.2847 Xtb=1.5 Br=6.092 Nc=2 Isc=0 + Ikr=0 Rc=1 Cjc=7.306p Mjc=.3416 + Vjc=.75 Fc=.5 Cje=22.01p Mje=.377 + Vje=.75 Tr=46.91n Tf=411.1p Itf=.6 + Vtf

2、=1.7 Xtf=3 Rb=10)雙極晶體管模型和模型參數(shù)雙極晶體管模型和模型參數(shù)一、一、EM1模型模型 (J. J. Ebers J. L. Moll)二、二、EM2模型模型三、三、EM3模型模型四、四、EM1、EM2和和EM3中的模型參數(shù)中的模型參數(shù)五、其他效應(yīng)的考慮五、其他效應(yīng)的考慮一、一、 EM1模型模型 (J. J. Ebers J. L. Moll)1. 基本關(guān)系式基本關(guān)系式(針對(duì)針對(duì)NPN晶體管晶體管) 若外加電壓為：若外加電壓為： Vbe0, Vbc=0 流過(guò)流過(guò)be的電流為：的電流為： IF=IESexp(qVbe/kt)-1 則則 Ie= -IF , IC=FIF (電流方

3、向以流進(jìn)電極為正電流方向以流進(jìn)電極為正) 若外加電壓為：若外加電壓為： Vbe0, Vbc0 流過(guò)流過(guò)bc的電流為：的電流為： IR=ICSexp(qVbc/kt)-1 則則 Ie=RIR , IC= -IR 在一般情況下，在一般情況下， Vbe0, Vbc0， 則得：則得： Ie= -IFRIR IC=FIF - IR 這就是晶體管直流特性方程這就是晶體管直流特性方程,包括包括F、R 、IES和和ICS共共4個(gè)參數(shù)。個(gè)參數(shù)。 由互易定理，由互易定理，F(xiàn) IESR ICS, 記為記為 F IESR ICS IS (稱(chēng)為稱(chēng)為晶體管飽和電流晶體管飽和電流)， 所以直流特性中只有所以直流特性中只有3

4、個(gè)獨(dú)立參數(shù)。個(gè)獨(dú)立參數(shù)。取取3個(gè)模型參數(shù)為個(gè)模型參數(shù)為F、R 和和IS。 一、一、 EM1模型模型 (J. J. Ebers J. L. Moll)2. 實(shí)用關(guān)系式實(shí)用關(guān)系式 對(duì)上述方程進(jìn)行下述處理，可以得到實(shí)用的直流特性模型。對(duì)上述方程進(jìn)行下述處理，可以得到實(shí)用的直流特性模型。 記記 FIFF IESexp(qVbe/kt)-1 ISexp(qVbe/kt)-1ICC CC：Collector Collected RIRR ICSexp(qVbc/kt)-1 ISexp(qVbc/kt)-1IEC EC：Emitter Collected 代入前面方程，得：代入前面方程，得： Ie=-IFR

5、IRICC/F+IEC =(-ICC/F+ICC)-(ICC-IEC) =-ICC/F-ICT (ICTICC-IEC) IC= FIF - IR= ICC- IEC/R =(ICC- IEC)-(IEC/R-IEC) =ICT-IEC/R2. 實(shí)用關(guān)系式實(shí)用關(guān)系式 Ie=-ICC/F-ICT IC=ICT-IEC/R 這就是實(shí)用雙極晶體管直流特性模型，共有這就是實(shí)用雙極晶體管直流特性模型，共有3個(gè)模型參數(shù)：個(gè)模型參數(shù)：IS、F和和R 這這3個(gè)參數(shù)個(gè)參數(shù)記為：記為： IS(晶體管飽和電流晶體管飽和電流) BF(正向電流放大系數(shù)正向電流放大系數(shù)) BR(反向電流放大系數(shù)反向電流放大系數(shù))。 考慮

6、到電流和電壓的指數(shù)關(guān)系是考慮到電流和電壓的指數(shù)關(guān)系是exp(qVbc/NFkt)和和exp(qVbe/NRkt) 則直流模型中還要包括兩個(gè)模型參數(shù)則直流模型中還要包括兩個(gè)模型參數(shù): NF(正向電流發(fā)射系數(shù)正向電流發(fā)射系數(shù)) NR(反向電流發(fā)射系數(shù)反向電流發(fā)射系數(shù))。 一、一、 EM1模型模型 (J. J. Ebers J. L. Moll)Ie=-ICC/F-ICTIC= ICT-IEC/R二、二、EM2模型模型 在表示直流特性的在表示直流特性的EM1模型基礎(chǔ)上，再考慮串聯(lián)電阻、勢(shì)壘電容和模型基礎(chǔ)上，再考慮串聯(lián)電阻、勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容，就得到考慮寄生參數(shù)和交流特性的擴(kuò)散電容，就得到考慮寄生參數(shù)

7、和交流特性的EM2模型。模型。1. 串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻 考慮考慮3個(gè)電極的串聯(lián)電阻，新增個(gè)電極的串聯(lián)電阻，新增3個(gè)模型參數(shù)：個(gè)模型參數(shù)：RB、RE和和RC。2. 勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容 反偏情況下勢(shì)壘電容的一般表達(dá)式為：反偏情況下勢(shì)壘電容的一般表達(dá)式為：CJCT0(1-V/VJ)-mj 一共有一共有3個(gè)參數(shù)。個(gè)參數(shù)。 其中其中CT0是零偏勢(shì)壘電容，與結(jié)面積以及工藝有關(guān)；是零偏勢(shì)壘電容，與結(jié)面積以及工藝有關(guān)； VJ是勢(shì)壘內(nèi)建電勢(shì)，與材料類(lèi)型以及摻雜濃度有關(guān)；是勢(shì)壘內(nèi)建電勢(shì)，與材料類(lèi)型以及摻雜濃度有關(guān)； mj是電容指數(shù)，與結(jié)兩側(cè)雜質(zhì)分布情況有關(guān)。是電容指數(shù)，與結(jié)兩側(cè)雜質(zhì)分布情況有關(guān)。 考慮考慮eb結(jié)勢(shì)壘電

8、容，新增結(jié)勢(shì)壘電容，新增3個(gè)模型參數(shù)：個(gè)模型參數(shù)： CTE0、VJE和和MJE。 考慮考慮bc結(jié)勢(shì)壘電容，新增結(jié)勢(shì)壘電容，新增3個(gè)模型參數(shù)：個(gè)模型參數(shù)： CTC0、VJC和和MJC 考慮襯底結(jié)勢(shì)壘電容，新增考慮襯底結(jié)勢(shì)壘電容，新增3個(gè)模型參數(shù)：個(gè)模型參數(shù)：CTS0、VJS和和MJS 在正偏條件下，勢(shì)壘電容的表達(dá)式為：在正偏條件下，勢(shì)壘電容的表達(dá)式為： CJ=CT0(1-FC)-(1+mj)(1-FC(1+mj)+mjV/VJ) 又新增一個(gè)模型參數(shù)又新增一個(gè)模型參數(shù)FC(勢(shì)壘電容正偏系數(shù)勢(shì)壘電容正偏系數(shù))。二、二、EM2模型模型3. 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容 發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容為：發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容為：CdeF

9、(qICC/kT) 新增模型參數(shù)：新增模型參數(shù)：TF(正向渡越時(shí)間正向渡越時(shí)間) 集電結(jié)擴(kuò)散電容為：集電結(jié)擴(kuò)散電容為：CdcR(qIEC/kT) 新增模型參數(shù)：新增模型參數(shù)：TR(反向渡越時(shí)間反向渡越時(shí)間) 因此，因此，EM2模型中新增模型中新增15個(gè)模型參數(shù)。個(gè)模型參數(shù)。4. EM-2模型和模型和EM-1模型模型 對(duì)對(duì)EM2模型，模型，RB、RE、RC、CTE0、CTC0、CTS0、TF和和TR這這8個(gè)個(gè)參數(shù)的內(nèi)定值均為參數(shù)的內(nèi)定值均為0。 若全部采用內(nèi)定值，若全部采用內(nèi)定值，EM2模型將簡(jiǎn)化為模型將簡(jiǎn)化為EM1模型。模型。 二、二、EM2模型模型三、三、EM3模型模型 EM1和和EM2是描

10、述晶體管直流和交流特性的基本模型。是描述晶體管直流和交流特性的基本模型。 進(jìn)一步考慮晶體管的二階效應(yīng)，包括基區(qū)寬度調(diào)制、小電流下進(jìn)一步考慮晶體管的二階效應(yīng)，包括基區(qū)寬度調(diào)制、小電流下復(fù)合電流的影響、以及大注入效應(yīng)等，就成為復(fù)合電流的影響、以及大注入效應(yīng)等，就成為EM3模型。模型。1. 基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)(Early效應(yīng)效應(yīng)) (1) 基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的影響基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的影響 隨著隨著|Vbc|的增加，使有效基區(qū)寬度的增加，使有效基區(qū)寬度Xb減小，從而使減小，從而使Is增加、增加、增增加，而渡越時(shí)間加，而渡越時(shí)間則減小。因此，需要定量表征基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)則減小。因此，需要定量表

11、征基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)對(duì)這些參數(shù)的影響。對(duì)這些參數(shù)的影響。 (2) 正向正向Early電壓電壓 采用正向采用正向Early電壓電壓VA描述基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。描述基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。 三、三、EM3模型模型 (3) 反向反向Early電壓電壓 可以采用同樣方法考慮晶體管反向放大狀態(tài)下可以采用同樣方法考慮晶體管反向放大狀態(tài)下Veb的作用，的作用，引入反向引入反向Early電壓，記為電壓，記為VB。 因此，考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，引進(jìn)了兩個(gè)新的模型參數(shù)因此，考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，引進(jìn)了兩個(gè)新的模型參數(shù)VA(正向正向Early電壓電壓)和和VB(反向反向Early電壓電壓)。 這兩個(gè)模型參數(shù)的內(nèi)定值均為無(wú)窮大

12、。這就是說(shuō)，若采用這兩個(gè)模型參數(shù)的內(nèi)定值均為無(wú)窮大。這就是說(shuō)，若采用其內(nèi)定值，實(shí)際上就不考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。其內(nèi)定值，實(shí)際上就不考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。三、三、EM3模型模型2. 大電流和小電流下電流放大系數(shù)大電流和小電流下電流放大系數(shù)減小現(xiàn)象的描述減小現(xiàn)象的描述 (1) 小電流效應(yīng)的表征小電流效應(yīng)的表征 在小電流下，電流放大系數(shù)減小的原因是由于勢(shì)壘復(fù)合和基區(qū)表面復(fù)合在小電流下，電流放大系數(shù)減小的原因是由于勢(shì)壘復(fù)合和基區(qū)表面復(fù)合效應(yīng)，使基區(qū)電流所占的比例增大。效應(yīng)，使基區(qū)電流所占的比例增大。 為此，引入下述基區(qū)復(fù)合電流項(xiàng)描述為此，引入下述基區(qū)復(fù)合電流項(xiàng)描述be結(jié)的影響：結(jié)的影響： Ib(復(fù)合復(fù)

13、合)=I2ISEexp(qVbe/NekT)-1 對(duì)對(duì)bc結(jié)，采用同樣方法，引入又一項(xiàng)基區(qū)復(fù)合電流：結(jié)，采用同樣方法，引入又一項(xiàng)基區(qū)復(fù)合電流： I4ISCexp(qVbc/NckT)-1 相當(dāng)于等效電路中相當(dāng)于等效電路中IB增加兩個(gè)電流分量。增加兩個(gè)電流分量。 因此，要考慮基區(qū)復(fù)合電流的影響，需新增下述因此，要考慮基區(qū)復(fù)合電流的影響，需新增下述4個(gè)模型參數(shù)描述小電個(gè)模型參數(shù)描述小電流下復(fù)合電流對(duì)電流放大系數(shù)的影響：流下復(fù)合電流對(duì)電流放大系數(shù)的影響： ISE(發(fā)射結(jié)漏飽和電流發(fā)射結(jié)漏飽和電流) ISC(集電結(jié)漏飽和電流集電結(jié)漏飽和電流) NE(發(fā)射結(jié)漏電流發(fā)射系數(shù)發(fā)射結(jié)漏電流發(fā)射系數(shù)) NC(集

14、電結(jié)漏電流發(fā)射系數(shù)集電結(jié)漏電流發(fā)射系數(shù)) 三、三、EM3模型模型I2ISEexp(qVbe/NekT)-1I4ISCexp(qVbc/NckT)-1三、三、EM3模型模型(2) 大注入效應(yīng)的表征大注入效應(yīng)的表征 大電流下，由于大注入效應(yīng)，使大電流下，由于大注入效應(yīng)，使ICC隨結(jié)電壓隨結(jié)電壓V的增加變慢，從的增加變慢，從exp(qV/kT)關(guān)系關(guān)系逐步變?yōu)橹鸩阶優(yōu)閑xp(qV/2kT)。為此，只需將。為此，只需將ICC表達(dá)式作下述修正，等效電路無(wú)需變化：表達(dá)式作下述修正，等效電路無(wú)需變化：ICC=ISexp(qVbe/kT)-1/1+(IS/IKF)exp(qVbe/2kT) 顯然，在一般注入下

15、，分母項(xiàng)近似等于顯然，在一般注入下，分母項(xiàng)近似等于1，則，則ICC=ISexp(qVbe/kT)-1 在大注入情況下，分母中在大注入情況下，分母中1可以忽略不計(jì)，則可以忽略不計(jì)，則ICC=ISexp(qVbe/2kT) 對(duì)對(duì)bc結(jié)，作同樣分析，得：結(jié)，作同樣分析，得：IEC=ISexp(qVbc/kT)-1/1+(IS/IKR)exp(qVbc/2kT) 因此，考慮大注入效應(yīng)，新增兩個(gè)模型參數(shù)：因此，考慮大注入效應(yīng)，新增兩個(gè)模型參數(shù)： IKF：表征大電流下正向電流放大系數(shù)下降的膝點(diǎn)電流：表征大電流下正向電流放大系數(shù)下降的膝點(diǎn)電流 IKR：大電流下反向電流放大系數(shù)下降的膝點(diǎn)電流大電流下反向電流放

16、大系數(shù)下降的膝點(diǎn)電流三、三、EM3模型模型3. 基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)對(duì)渡越時(shí)間的影響基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)對(duì)渡越時(shí)間的影響 由于基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)由于基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)(Kirk效應(yīng)效應(yīng))等的影響，使渡越時(shí)間隨工作電壓和工作等的影響，使渡越時(shí)間隨工作電壓和工作電流發(fā)生變化。電流發(fā)生變化。 為此采用下述表式進(jìn)行修正：為此采用下述表式進(jìn)行修正：TF=TF01+XTF(ICC/(ICC+ITF)2exp(Vbc/1.44VTF) 新增新增3個(gè)模型參數(shù)。個(gè)模型參數(shù)。 XTF(表征偏置條件對(duì)渡越時(shí)間影響的偏置系數(shù)表征偏置條件對(duì)渡越時(shí)間影響的偏置系數(shù))； ITF(表征表征ICC對(duì)渡越時(shí)間影響的特征電流對(duì)渡越時(shí)間影響的特征電流)； VTF(表征表征Vbc對(duì)渡越時(shí)間影響的特征電壓對(duì)渡越時(shí)間影響的特征電壓)。四、四、EM1、EM2和和EM3中的模型參數(shù)中的模型參數(shù) 上面介紹的基本等效電路中涉及上面介紹的基本等效電路中涉及29個(gè)模型參數(shù)。下表總結(jié)了每個(gè)參數(shù)個(gè)模型參數(shù)。下表總結(jié)了每個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的物理模型，以及在哪種工作狀態(tài)下必需考慮該參數(shù)。對(duì)應(yīng)的物理模型，以及在哪種工作狀態(tài)下必需考慮該參數(shù)。基本的雙極晶體管模型參數(shù)基本