Рисунок 1. Вверху: ширина основания NPN для низкого обратного смещения коллектор – основание; Внизу: меньшая ширина основания NPN для большого обратного смещения коллектор – основание. Хешированные области - это
истощенные области.
Рис. 2. Раннее напряжение (V A), как видно на графике выходной характеристики
BJT.
Ранний эффект, названный в честь его первооткрывателя Джеймса М. Раннего, представляет собой изменение эффективной ширины базы в биполярном переходном транзисторе (BJT) из-за изменения применяемого напряжение база-коллектор. Например, большее обратное смещение на переходе коллектор-база увеличивает обедненную ширину коллектор-база, тем самым уменьшая ширину несущей заряда части базы.
Содержание
- 1 Пояснение
- 2 Модель с большим сигналом
- 3 Модель со слабым сигналом
- 3.1 Вольт-амперные характеристики
- 4 Ссылки и примечания
- 5 См. Также
Пояснение
На рисунке 1 нейтральная (т.е. активная) база обозначена зеленым цветом, а области истощенной базы заштрихованы светло-зеленым цветом. Нейтральные области эмиттера и коллектора окрашены в темно-синий цвет, а обедненные области - в голубой. При увеличении обратного смещения коллектор-база нижняя панель рис. 1 показывает расширение обедненной области в основании и связанное с этим сужение нейтральной базовой области.
Область обеднения коллектора также увеличивается при обратном смещении, больше, чем у базы, потому что база более сильно легирована, чем коллектор. Принципом, регулирующим эти две ширины, является нейтральность заряда. Сужение коллектора не оказывает существенного влияния, так как коллектор намного длиннее основания. Переход эмиттер-база не изменился, потому что напряжение эмиттер-база одинаково.
Сужение базы имеет два последствия, которые влияют на ток:
- Имеется меньшая вероятность рекомбинации в «меньшей» области базы.
- Градиент заряда увеличивается по основанию, и, следовательно, ток неосновных носителей, вводимых через переход коллектор-база, увеличивается, этот чистый ток называется .
Оба эти фактора увеличивают коллекторный или «выходной» ток транзистор с повышением напряжения коллектора, но только второй называется эффектом раннего. Этот увеличенный ток показан на рисунке 2. Касательные к характеристикам при больших напряжениях экстраполируются назад, чтобы пересечь ось напряжения при напряжении, называемом раннее напряжение, часто обозначаемом символом VA.
Модель большого сигнала
В передней активной области эффект Early изменяет ток коллектора () и прямой общий эмиттер текущий коэффициент усиления (), как обычно, описывается следующими уравнениями:
Где
- - колл Напряжение ctor – эмиттер
- - тепловое напряжение ; см. тепловое напряжение: роль в физике полупроводников
- - начальное напряжение (обычно 15–150 В; меньше для устройств меньшего размера)
- - прямое усиление тока с общим эмиттером при нулевом смещении.
В некоторых моделях используется коллектор коэффициент коррекции тока на напряжение коллектор-база V CB (как описано в модуляции ширины базы ) вместо напряжения коллектор-эмиттер V CE. Использование V CB может быть более физически правдоподобным, что согласуется с физическим происхождением эффекта, который представляет собой расширение обедненного слоя коллектор-база, который зависит от V CB. В компьютерных моделях, таких как те, что используются в SPICE, используется напряжение коллектор – база V CB.
Модель слабого сигнала
Ранний эффект можно учесть в слабом сигнале схемные модели (например, модель гибридного пи ) в качестве резистора, определенного как
параллельно переходу коллектор-эмиттер транзистора. Таким образом, этот резистор может учитывать конечное выходное сопротивление простого токового зеркала или активно нагруженного усилителя с общим эмиттером.
В соответствии с моделью, использованной в SPICE и как обсуждалось выше, с использованием сопротивление становится:
, что почти совпадает с результатом из учебника. В любой формулировке изменяется в зависимости от обратного смещения постоянного тока , как это наблюдается. на практике.
В MOSFET выходное сопротивление задается в модели Шичмана – Ходжеса (точно для очень старой технологии) как:
где = слив- напряжение к источнику, = ток стока и = параметр модуляции длины канала, обычно принимается обратно пропорциональным длине канала L. Из-за сходства с биполярным результатом термин «ранний эффект» часто применяется и к полевому МОП-транзистору.
Вольт-амперные характеристики
Выражения получены для транзистора PNP. Для NPN-транзистора n необходимо заменить на p, а p необходимо заменить на n во всех выражениях ниже. Следующие допущения используются при получении идеальных вольт-амперных характеристик BJT
- инжекция низкого уровня
- Равномерное легирование в каждой области с резкими переходами
- Одномерный ток
- Незначительная рекомбинация-генерация в областях пространственного заряда
- Незначительные электрические поля вне областей пространственного заряда.
Важно охарактеризовать неосновные диффузионные токи, вызванные инжекцией носителей.
Что касается диода с pn-переходом, ключевым соотношением является уравнение диффузии.
Решение этого уравнения ниже, а два граничных условия используются для решения и нахождения и .
Следующие уравнения применяются к области эмиттера и коллектора соответственно: и источники , , и применяются к базе, коллектору и эмиттеру.
Граничное условие эмиттера:
Значения констант и равны нулю из-за следующие условия областей эмиттера и коллектора: и .
Поскольку , значения и - это и соответственно.
Выражения и могут быть оценены.
Поскольку происходит несущественная рекомбинация, вторая производная от равно нулю. Следовательно, существует линейная зависимость между избыточной плотностью отверстий и .
Ниже приведены граничные условия .
с W базовой шириной. Подставьте в указанную выше линейную зависимость.
Получив этот результат, выведите значение .
Используйте выражения , , и , чтобы получить выражение тока эмиттера.
Аналогичным образом получается выражение тока коллектора.
Выражение базового тока найдено с предыдущими результатами.
Ссылки и примечания
См. также