雙極晶體管模型

雙極晶體管模型和模型參數(shù)PSpice模型參數(shù)庫中的

Q2N2222模型參數(shù)描述.modelQ2N2222NPN(Is=14.34fXti=3Eg=1.11+Vaf=74.03Bf=255.9Ne=1.307Ise=14.34f+Ikf=.2847Xtb=1.5Br=6.092Nc=2Isc=0+Ikr=0Rc=1Cjc=7.306pMjc=.3416+Vjc=.75Fc=.5Cje=22.01pMje=.377+Vje=.75Tr=46.91nTf=411.1pItf=.6+Vtf=1.7Xtf=3Rb=10)雙極晶體管模型和模型參數(shù)一、EM－1模型(J.J.EbersJ.L.Moll)二、EM－2模型三、EM－3模型四、EM－1、EM－2和EM－3中的模型參數(shù)五、其他效應(yīng)的考慮一、

EM－1模型

(J.J.EbersJ.L.Moll)1.基本關(guān)系式(針對NPN晶體管)

若外加電壓為：Vb’e’≠0,Vb’c’=0

流過b’e’的電流為：IF=IES[exp(qVb’e’/kt)-1]

則Ie=-IF,IC=αFIF(電流方向以流進電極為正)

若外加電壓為：Vb’e’＝0,Vb’c’≠0

流過b’c’的電流為：IR=ICS[exp(qVb’c’/kt)-1]

則Ie=αRIR,IC=-IR

在一般情況下，Vb’e’≠0,Vb’c’≠0，則得：Ie=-IF＋αRIR

IC=αFIF-IR

這就是晶體管直流特性方程,包括αF、αR

、IES和ICS共4個參數(shù)。由互易定理，αFIES＝αRICS,

記為αFIES＝αRICS

＝IS(稱為晶體管飽和電流)，所以直流特性中只有3個獨立參數(shù)。取3個模型參數(shù)為αF、αR和IS。

一、

EM－1模型

(J.J.EbersJ.L.Moll)2.實用關(guān)系式對上述方程進行下述處理，可以得到實用的直流特性模型。記αFIF＝αFIES[exp(qVb’e’/kt)-1]

＝IS[exp(qVb’e’/kt)-1]＝ICCCC：CollectorCollectedαRIR＝αRICS[exp(qVb’c’/kt)-1]

＝IS[exp(qVb’c’/kt)-1]＝IECEC：EmitterCollected

代入前面方程，得：

Ie=-IF＋αRIR＝－ICC/αF+IEC=(-ICC/αF+ICC)-(ICC-IEC)=-ICC/βF-ICT(ICT＝ICC-IEC)IC=αFIF-IR=ICC-IEC/αR=(ICC-IEC)-(IEC/αR-IEC)=ICT-IEC/βR2.實用關(guān)系式

Ie=-ICC/βF-ICTIC=ICT-IEC/βR

這就是實用雙極晶體管直流特性模型，共有3個模型參數(shù)：IS、βF和βR

這3個參數(shù)記為：

IS(晶體管飽和電流)BF(正向電流放大系數(shù))

BR(反向電流放大系數(shù))?？紤]到電流和電壓的指數(shù)關(guān)系是exp(qVb’c’/NFkt)和exp(qVb’e’/NRkt)

則直流模型中還要包括兩個模型參數(shù):NF(正向電流發(fā)射系數(shù))

NR(反向電流發(fā)射系數(shù))。

一、

EM－1模型

(J.J.EbersJ.L.Moll)Ie=-ICC/βF-ICTIC=ICT-IEC/βR

二、EM－2模型

在表示直流特性的EM－1模型基礎(chǔ)上，再考慮串聯(lián)電阻、勢壘電容和擴散電容，就得到考慮寄生參數(shù)和交流特性的EM－2模型。1.串聯(lián)電阻考慮3個電極的串聯(lián)電阻，新增3個模型參數(shù)：RB、RE和RC。2.勢壘電容反偏情況下勢壘電容的一般表達式為：CJ＝CT0(1-V/VJ)-mj

一共有3個參數(shù)。其中CT0是零偏勢壘電容，與結(jié)面積以及工藝有關(guān)；

VJ是勢壘內(nèi)建電勢，與材料類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)?？紤]eb結(jié)勢壘電容，新增3個模型參數(shù)：CTE0、VJE和MJE。考慮bc結(jié)勢壘電容，新增3個模型參數(shù)：CTC0、VJC和MJC

考慮襯底結(jié)勢壘電容，新增3個模型參數(shù)：CTS0、VJS和MJS

在正偏條件下，勢壘電容的表達式為：

CJ=CT0(1-FC)-(1+mj)(1-FC(1+mj)+mjV/VJ)

又新增一個模型參數(shù)FC(勢壘電容正偏系數(shù))。二、EM－2模型3.擴散電容發(fā)射結(jié)擴散電容為：Cde＝τF(qICC/kT)

新增模型參數(shù)：TF(正向渡越時間)

集電結(jié)擴散電容為：Cdc＝τR(qIEC/kT)

新增模型參數(shù)：TR(反向渡越時間)

因此，EM－2模型中新增15個模型參數(shù)。4.EM-2模型和EM-1模型對EM－2模型，RB、RE、RC、CTE0、CTC0、CTS0、TF和TR這8個參數(shù)的內(nèi)定值均為0。若全部采用內(nèi)定值，EM－2模型將簡化為EM－1模型。

二、EM－2模型

三、EM－3模型EM－1和EM－2是描述晶體管直流和交流特性的基本模型。進一步考慮晶體管的二階效應(yīng)，包括基區(qū)寬度調(diào)制、小電流下復合電流的影響、以及大注入效應(yīng)等，就成為EM－3模型。1.基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)(Early效應(yīng))(1)基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的影響隨著|Vbc|的增加，使有效基區(qū)寬度Xb減小，從而使Is增加、β增加，而渡越時間τ則減小。因此，需要定量表征基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)對這些參數(shù)的影響。

(2)正向Early電壓采用正向Early電壓VA描述基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。

三、EM－3模型

(3)反向Early電壓可以采用同樣方法考慮晶體管反向放大狀態(tài)下Ve’b’的作用，引入反向Early電壓，記為VB。因此，考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，引進了兩個新的模型參數(shù)VA(正向Early電壓)和VB(反向Early電壓)。這兩個模型參數(shù)的內(nèi)定值均為無窮大。這就是說，若采用其內(nèi)定值，實際上就不考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。三、EM－3模型2.大電流和小電流下電流放大系數(shù)β減小現(xiàn)象的描述

(1)

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壘復合和基區(qū)表面復合效應(yīng)，使基區(qū)電流所占的比例增大。為此，引入下述基區(qū)復合電流項描述be結(jié)的影響：

Ib(復合)=I2＝ISE[exp(qVb’e’/NekT)-1]

對bc結(jié)，采用同樣方法，引入又一項基區(qū)復合電流：

I4＝ISC[exp(qVb’c’/NckT)-1]

相當于等效電路中IB增加兩個電流分量。

因此，要考慮基區(qū)復合電流的影響，需新增下述4個模型參數(shù)描述小電流下復合電流對電流放大系數(shù)的影響：

ISE(發(fā)射結(jié)漏飽和電流)ISC(集電結(jié)漏飽和電流)NE(發(fā)射結(jié)漏電流發(fā)射系數(shù))NC(集電結(jié)漏電流發(fā)射系數(shù))

三、EM－3模型I2＝ISE[exp(qVb’e’/NekT)-1]I4＝ISC[exp(qVb’c’/NckT)-1]三、EM－3模型(2)

大注入效應(yīng)的表征大電流下，由于大注入效應(yīng)，使ICC隨結(jié)電壓V的增加變慢，從exp(qV/kT)關(guān)系逐步變?yōu)閑xp(qV/2kT)。為此，只需將ICC表達式作下述修正，等效電路無需變化：ICC=IS[exp(qVb’e’/kT)-1]/[1+(IS/IKF)exp(qVb’e’/2kT)]

顯然，在一般注入下，分母項近似等于1，則ICC=IS[exp(qVb’e’/kT)-1]

在大注入情況下，分母中1可以忽略不計，則ICC=IS[exp(qVb’e’/2kT)]

對bc結(jié)，作同樣分析，得：IEC=IS[exp(qVb’c’/kT)-1]/[1+(IS/IKR)exp(qVb’c’/2kT)]

因此，考慮大注入效應(yīng)，新增兩個模型參數(shù)：

IKF：表征大電流下正向電流放大系數(shù)下降的膝點電流

IKR：大電流下反向電流放大系數(shù)下降的膝點電流三、EM－3模型3.基區(qū)擴展效應(yīng)對渡越時間的影響由于基區(qū)擴展效應(yīng)(Kirk效應(yīng))等的影響，使渡越時間隨工作電壓和工作電流發(fā)生變化。為此采用下述表式進行修正：TF=TF0[1+XTF(ICC/(ICC+ITF))2exp(Vb’c’/1.44VTF)]

新增3個模型參數(shù)。

XTF(表征偏置條件對渡越時間影響的偏置系數(shù))；

ITF(表征ICC對渡越時間影響的特征電流)；

VTF(表征Vb’c’對渡越時間影響的特征電壓)。四、EM－1、EM