Эффект Раннего , названный в честь его первооткрывателя Джеймса М. Раннего , представляет собой изменение эффективной ширины базы в биполярном переходном транзисторе (BJT) из-за изменения приложенного напряжения база-коллектор. Например, большее обратное смещение в переходе коллектор-база увеличивает обедненную ширину коллектор-база , тем самым уменьшая ширину носителя заряда в базе.
Объяснение [ править ]
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 заштрихованы светло-синим цветом. При повышенном обратном смещении коллектор-база нижняя панель рисунка 1 показывает расширение обедненной области в базе 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, влияющих на ток:
- Существует меньшая вероятность рекомбинации в пределах «меньшей» базовой области.
- Градиент заряда увеличивается на базе, и, следовательно, увеличивается ток неосновных носителей, вводимых через переход коллектор-база, что называется чистым током .
Оба эти фактора увеличивают коллекторный или «выходной» ток транзистора с увеличением напряжения коллектора, но только второй называется эффектом раннего. Этот повышенный ток показан на рисунке 2. касательные к характеристикам при больших напряжениях экстраполировать назад , чтобы перехватить оси напряжений при напряжении называют Раннее напряжения , часто обозначается символом V A .
Модель большого сигнала [ править ]
В передней активной области эффект Early изменяет ток коллектора ( ) и коэффициент усиления прямого тока общего эмиттера ( ), что обычно описывается следующими уравнениями: [1] [2]
Где
- - напряжение коллектор-эмиттер
- - тепловое напряжение ; см. тепловое напряжение: роль в физике полупроводников
- это начальное напряжение (обычно 15–150 В; меньше для небольших устройств)
- - прямое усиление по току с общим эмиттером при нулевом смещении.
Некоторые модели основывают поправочный коэффициент коллекторного тока на напряжении коллектор-база V CB (как описано в модуляции ширины базы ) вместо напряжения коллектор-эмиттер V CE . [3] Использование V CB может быть более физически правдоподобным, что согласуется с физическим происхождением эффекта, который заключается в расширении обедненного слоя коллектор-база, который зависит от V CB . Компьютерные модели, такие как используемые в SPICE, используют напряжение коллектор – база V CB . [4]
Модель слабого сигнала [ править ]
Ранний эффект может быть учтен в моделях цепей слабого сигнала (таких как модель гибридного Пи ) как резистор, определяемый как [5]
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, используемой в SPICE, и как обсуждалось выше, использование сопротивления принимает следующий вид:
что почти совпадает с результатом из учебника. В любой формулировке изменяется в зависимости от обратного смещения постоянного тока , что наблюдается на практике. [ необходима цитата ]
В МОП-транзисторе выходное сопротивление задается в модели Шичмана – Ходжеса [6] (точно для очень старых технологий) как:
где = сток-исток, = ток стока и = модуляции канала длины параметр, обычно принимается обратно пропорциональна длине канала L . Из-за сходства с биполярным результатом терминология «ранний эффект» часто применяется и к полевым МОП-транзисторам.
Вольт-амперные характеристики [ править ]
Выражения получены для транзистора PNP. Для NPN-транзистора n необходимо заменить на p, а p необходимо заменить на n во всех приведенных ниже выражениях. При получении идеальных вольт-амперных характеристик БЮТ используются следующие допущения [7].
- Впрыск 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, индуцированные инжекцией носителей.
Что касается диодов с pn-переходом, ключевым соотношением является уравнение диффузии.
Решение этого уравнения приведено ниже, а для решения и нахождения и используются два граничных условия .
Следующие уравнения применяются к эмиттера и коллектора области, соответственно, и происхождение , и применяются к базовому, коллектора и эмиттера.
Граничное условие эмиттера приведено ниже:
Значения констант и равны нулю из-за следующих условий эмиттерной и коллекторной областей как и .
Потому что значения и равны и соответственно.
Выражения и можно оценить.
Поскольку происходит незначительная рекомбинация, вторая производная равна нулю. Следовательно, существует линейная зависимость между избыточной плотностью дырок и .
Ниже приведены граничные условия .
с шириной основания W. Подставьте в указанную выше линейную зависимость.
С этим результатом получить значение .
Используйте выражение , , и развивать выражение тока эмиттера.
Аналогичным образом получается выражение тока коллектора.
Выражение базового тока находится с предыдущими результатами.
Ссылки и примечания [ править ]
- ^ RC Jaeger и TN Blalock (2004). Проектирование микроэлектронных схем . McGraw-Hill Professional. п. 317. ISBN 0-07-250503-6.
- ^ Массимо Алиото и Гаэтано Палумбо (2005). Модель и конструкция биполярной логики и логики Mos-тока: цифровые схемы CML, ECL и SCL . Springer. ISBN 1-4020-2878-4.
- ^ Паоло Антогнетти и Джузеппе Massobrio (1993). Моделирование полупроводниковых устройств с помощью Spice . McGraw-Hill Professional. ISBN 0-07-134955-3.
- ^ Справочное руководство Orcad PSpice под названием PSpcRef.pdf , стр. 209. (заархивировано с этого URL-адреса ) Это руководство включено в бесплатную версию Orcad PSpice.
- ^ RC Jaeger и TN Blalock (2004). Проектирование микроэлектронных схем (второе изд.). McGraw-Hill Professional. стр. 13.31, п. 891. ISBN. 0-07-232099-0.
- ^ The Shichman-Hodges Enhancement MOSFET Model и SwitcherCAD III SPICE, Отчет NDT14-08-2007, NanoDotTek, 12 августа 2007 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Р. Мюллер, kamīns TI & Chan M (2003). Приборная электроника для интегральных схем (Третье изд.). Нью-Йорк: Вили. п. 280 сл. ISBN 0-471-59398-2.
См. Также [ править ]
- Модель слабого сигнала