《双极晶体管模型》PPT课件.ppt

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1、双极晶体管模型和模型参数双极晶体管模型和模型参数西安西安电电子科技大学子科技大学 微微电电子学院子学院2013年年12月月双极晶体管模型和模型参数双极晶体管模型和模型参数一、概一、概 述述二、二、EMEM1 1模型模型(J.J.Ebers J.L.Moll)(J.J.Ebers J.L.Moll)三、三、EMEM2 2模型模型四、四、EMEM3 3模型模型五、五、EMEM1 1、EMEM2 2和和EMEM3 3中的模型参数中的模型参数六、其他效应的考虑六、其他效应的考虑七、获取晶体管模型参数的基本方法七、获取晶体管模型参数的基本方法 双极晶体管模型和模型参数双极晶体管模型和模型参数一、一、概概

2、 述述(1)电电路路中中的的有有源源器器件件用用模模型型描描述述该该器器件件的的特特性性。不不同同的的电电路路模模拟拟软软件件中采用的模型不完全相同，模型参数的名称和个数也不尽相同。中采用的模型不完全相同，模型参数的名称和个数也不尽相同。(2)晶晶体体管管模模型型实实际际上上以以等等效效电电路路的的形形式式描描述述晶晶体体管管端端电电流流和和端端电电压压之之间间的的关关系系。电电路路模模拟拟过过程程中中，实实际际上上是是以以等等效效电电路路代代替替晶晶体体管管器器件件，然然后后建立回路方程、建立回路方程、计计算求解。算求解。(3)电电路路模模拟拟结结果果是是否否符符合合实实际际情情况况，主主要

3、要取取决决于于晶晶体体管管模模型型是是否否正正确确，特特别别是采用的模型参数是否真正代表是采用的模型参数是否真正代表实际实际器件的特性。器件的特性。(4)晶晶体体管管模模型型越越精精确确，电电路路模模拟拟效效果果越越好好，但但是是计计算算量量也也越越大大，因因此此应应折衷考折衷考虑虑。这样这样，对对同一种器件，往往提出几种模型。同一种器件，往往提出几种模型。(5)学学习习中中应应该该掌掌握握模模型型参参数数的的含含义义，特特别别应应注注意意每每个个模模型型参参数数的的作作用用特特点点，即即在在不不同同的的电电路路特特性性分分析析中中必必需需考考虑虑考考虑虑哪哪些些模模型型参参数数。每每个个模模

4、型型参参数数均均有有内内定定值值。对对于于默默认认值值为为0或或者者无无穷穷大大的的模模型型参参数数，如如果果采采用用内内定定值值，相当于不考相当于不考虑虑相相应应的效的效应应。(6)如如果果采采用用模模拟拟软软件件附附带带的的模模型型参参数数库库，当当然然不不存存在在任任何何问问题题。如如果果采采用用模模型型参参数数库库中中未未包包括括的的器器件件，如如何何比比较较精精确确地地确确定定该该器器件件的的模模型型参参数数将是影响将是影响电电路模路模拟结拟结果的关果的关键问题键问题。PSpice模型参数库中的模型参数库中的Q2N2222模型参数描述模型参数描述.modelQ2N2222NPN(Is

5、=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)二、二、EM1模型模型(J.J.Ebers J.L.Moll)1.基本关系式基本关系式(针对针对NPN晶体管晶体管)若外加若外加电压为电压为：Vbe0,Vbc=0流流过过be的的电电流流为为：IF=I

6、ESexp(qVbe/kt)-1则则Ie=-IF,IC=FIF(电电流方向以流流方向以流进电进电极极为为正正)若外加若外加电压为电压为：Vbe0,Vbc0流流过过bc的的电电流流为为：IR=ICSexp(qVbc/kt)-1则则Ie=RIR,IC=-IR在一般情况下，在一般情况下，Vbe0,Vbc0，则则得：得：Ie=-IFRIRIC=FIF-IR这这就是晶体管直流特性方程就是晶体管直流特性方程,包括包括F、R、IES和和ICS共共4个参数。个参数。由互易定理，由互易定理，FIESRICS,记为记为FIESRICSIS(称称为为晶体管晶体管饱饱和和电电流流)，所以直流特性中只有所以直流特性中只

7、有3个独立参数。个独立参数。取取3个模型参数个模型参数为为F、R和和IS。二、二、EM1模型模型(J.J.Ebers J.L.Moll)2.实用关系式实用关系式对对上述方程上述方程进进行下述行下述处处理，可以得到理，可以得到实实用的直流特性模型。用的直流特性模型。记记FIFFIESexp(qVbe/kt)-1ISexp(qVbe/kt)-1ICCCC：CollectorCollectedRIRRICSexp(qVbc/kt)-1ISexp(qVbc/kt)-1IECEC：EmitterCollected代入前面方程，得：代入前面方程，得：Ie=-IFRIRICC/F+IEC=(-ICC/F+I

8、CC)-(ICC-IEC)=-ICC/F-ICT(ICTICC-IEC)IC=FIF-IR=ICC-IEC/R=(ICC-IEC)-(IEC/R-IEC)=ICT-IEC/R2.实用关系式实用关系式Ie=-ICC/F-ICTIC=ICT-IEC/R这这就就是是实实用用双双极极晶晶体体管管直直流流特特性性模模型型，共共有有3个个模模型型参参数数：IS、F和和R这这3个参数个参数记为记为：IS(晶体管晶体管饱饱和和电电流流)BF(正向正向电电流放大系数流放大系数)BR(反向反向电电流放大系数流放大系数)。考考虑虑到到电电流和流和电压电压的指数关系是的指数关系是exp(qVbc/NFkt)和和exp

9、(qVbe/NRkt)则则直流模型中直流模型中还还要包括两个模型参数要包括两个模型参数:NF(正向正向电电流流发发射系数射系数)NR(反向反向电电流流发发射系数射系数)。二、二、EM1模型模型(J.J.Ebers J.L.Moll)Ie=-ICC/F-ICTIC=ICT-IEC/R三、三、EM2模型模型在在表表示示直直流流特特性性的的EM1模模型型基基础础上上，再再考考虑虑串串联联电电阻阻、势势垒垒电电容容和和扩扩散散电电容，就得到考容，就得到考虑虑寄生参数和交流特性的寄生参数和交流特性的EM2模型。模型。1.串联电阻串联电阻考考虑虑3个个电电极的串极的串联电联电阻，新增阻，新增3个模型参数：

10、个模型参数：RB、RE和和RC。2.势垒电容势垒电容反偏情况下反偏情况下势垒电势垒电容的一般表达式容的一般表达式为为：CJCT0(1-V/VJ)-mj一共有一共有3个参数。个参数。其中其中CT0是零偏是零偏势垒电势垒电容，与容，与结结面面积积以及工以及工艺艺有关；有关；VJ是是势垒势垒内建内建电势电势，与材料，与材料类类型以及型以及掺杂浓掺杂浓度有关；度有关；mj是是电电容指数，与容指数，与结结两两侧杂质侧杂质分布情况有关。分布情况有关。考考虑虑eb结势垒电结势垒电容，新增容，新增3个模型参数：个模型参数：CTE0、VJE和和MJE。考考虑虑bc结势垒电结势垒电容，新增容，新增3个模型参数：个

11、模型参数：CTC0、VJC和和MJC考考虑衬虑衬底底结势垒电结势垒电容，新增容，新增3个模型参数：个模型参数：CTS0、VJS和和MJS在正偏条件下，在正偏条件下，势垒电势垒电容的表达式容的表达式为为：CJ=CT0(1-FC)-(1+mj)(1-FC(1+mj)+mjV/VJ)又新增一个模型参数又新增一个模型参数FC(势垒电势垒电容正偏系数容正偏系数)。三、三、EM2模型模型3.扩散电容扩散电容发发射射结扩结扩散散电电容容为为：CdeF(qICC/kT)新增模型参数：新增模型参数：TF(正向渡越正向渡越时间时间)集集电结扩电结扩散散电电容容为为：CdcR(qIEC/kT)新增模型参数：新增模型

12、参数：TR(反向渡越反向渡越时间时间)因此，因此，EM2模型中新增模型中新增15个模型参数。个模型参数。4.EM-2模型和模型和EM-1模型模型对对EM2模型，模型，RB、RE、RC、CTE0、CTC0、CTS0、TF和和TR这这8个参数的内定个参数的内定值值均均为为0。若全部采用内定若全部采用内定值值，EM2模型将模型将简简化化为为EM1模型。模型。三、三、EM2模型模型四、四、EM3模型模型EM1和和EM2是描述晶体管直流和交流特性的基本模型。是描述晶体管直流和交流特性的基本模型。进进一一步步考考虑虑晶晶体体管管的的二二阶阶效效应应，包包括括基基区区宽宽度度调调制制、小小电电流下复合流下复

13、合电电流的影响、大注入效流的影响、大注入效应应等，就成等，就成为为EM3模型。模型。1.基区宽度调制效应基区宽度调制效应(Early效应效应)(1)基区基区宽宽度度调调制效制效应应的影响的影响随随着着|Vbc|的的增增加加，使使有有效效基基区区宽宽度度Xb减减小小，从从而而使使Is增增加加、增增加加，而而渡渡越越时时间间则则减减小小。因因此此，需需要要定定量量表表征征基基区区宽宽度度调调制效制效应对这应对这些参数的影响。些参数的影响。(2)正向正向Early电压电压采用正向采用正向Early电压电压VA描述基区描述基区宽宽度度调调制效制效应应。四、四、EM3模型模型(3)反向反向Early电压

14、电压可可以以采采用用同同样样方方法法考考虑虑晶晶体体管管反反向向放放大大状状态态下下Veb的的作作用用，引入反向引入反向Early电压电压，记为记为VB。因因此此，考考虑虑基基区区宽宽度度调调制制效效应应，引引进进了了两两个个新新的的模模型型参参数数VA(正向正向Early电压电压)和和VB(反向反向Early电压电压)。这这两两个个模模型型参参数数的的内内定定值值均均为为无无穷穷大大。这这就就是是说说，若若采采用用其内定其内定值值，实际实际上就不考上就不考虑虑基区基区宽宽度度调调制效制效应应。四、四、EM3模型模型2.大电流和小电流下电流放大系数大电流和小电流下电流放大系数减小现象的描述减小

15、现象的描述 (1)小小电电流效流效应应的表征的表征在在小小电电流流下下，电电流流放放大大系系数数减减小小的的原原因因是是由由于于势势垒垒复复合合和和基基区区表表面复合效面复合效应应，使基区，使基区电电流所占的比例增大。流所占的比例增大。为为此，引入下述基区复合此，引入下述基区复合电电流流项项描述描述be结结的影响：的影响：Ib(复合复合)=I2ISEexp(qVbe/NekT)-1对对bc结结，采用同，采用同样样方法，引入又一方法，引入又一项项基区复合基区复合电电流：流：I4ISCexp(qVbc/NckT)-1相当于等效相当于等效电电路中路中IB增加两个增加两个电电流分量。流分量。因此，要考

16、因此，要考虑虑基区复合基区复合电电流的影响，需新增下述流的影响，需新增下述4个模型参数描个模型参数描述小述小电电流下复合流下复合电电流流对电对电流放大系数的影响：流放大系数的影响：ISE(发发射射结结漏漏饱饱和和电电流流)ISC(集集电结电结漏漏饱饱和和电电流流)NE(发发射射结结漏漏电电流流发发射系数射系数)NC(集集电结电结漏漏电电流流发发射系数射系数)四、四、EM3模型模型2.大电流和小电流下电流放大系数大电流和小电流下电流放大系数减小现象的描述减小现象的描述 四、四、EM3模型模型(2)大注入效大注入效应应的表征的表征大大电电流流下下，由由于于大大注注入入效效应应，使使ICC随随结结电

17、电压压V的的增增加加变变慢慢，从从exp(qV/kT)关关系系逐逐步步变变为为exp(qV/2kT)。为为此此，只只需需将将ICC表表达达式式作作下下述述修修正，等效正，等效电电路无需路无需变变化：化：ICC=ISexp(qVbe/kT)-1/1+(IS/IKF)exp(qVbe/2kT)显显然，在一般注入下，分母然，在一般注入下，分母项项近似等于近似等于1，则则ICC=ISexp(qVbe/kT)-1在大注入情况下，分母中在大注入情况下，分母中1可以忽略不可以忽略不计计，则则ICC=ISexp(qVbe/2kT)对对bc结结，作同，作同样样分析，得：分析，得：IEC=ISexp(qVbc/k

18、T)-1/1+(IS/IKR)exp(qVbc/2kT)因此，考因此，考虑虑大注入效大注入效应应，新增两个模型参数：，新增两个模型参数：IKF：表征大：表征大电电流下正向流下正向电电流放大系数下降的膝点流放大系数下降的膝点电电流流 IKR：大大电电流下反向流下反向电电流放大系数下降的膝点流放大系数下降的膝点电电流流四、四、EM3模型模型3.基区扩展效应对渡越时间的影响基区扩展效应对渡越时间的影响由由于于基基区区扩扩展展效效应应(Kirk效效应应)等等的的影影响响，使使渡渡越越时时间间随随工工作作电压电压和工作和工作电电流流发发生生变变化。化。为为此采用下述表式此采用下述表式进进行修正：行修正：

19、TF=TF01+XTF(ICC/(ICC+ITF)2exp(VbcTF)新增新增3个模型参数。个模型参数。XTF(表征偏置条件表征偏置条件对对渡越渡越时间时间影响的偏置系数影响的偏置系数)；ITF(表征表征ICC对对渡越渡越时间时间影响的特征影响的特征电电流流)；VTF(表征表征Vbc对对渡越渡越时间时间影响的特征影响的特征电压电压)。五、五、EM1、EM2和和EM3中的模型参数中的模型参数 下下表表总总结结了了上上述述29个个模模型型参参数数对对应应的的物物理理模模型型，以以及在哪种工作状及在哪种工作状态态下必需考下必需考虑该虑该参数。参数。基基本本的的双双极极晶晶体体管管模模型型参参数数六

20、、其他效应的考虑六、其他效应的考虑在在PSpice模模拟软拟软件采用的双极晶体管模型中，件采用的双极晶体管模型中，还还同同时时考考虑虑许许多其他多其他问题问题。例如：。例如：模型参数随温度的模型参数随温度的变变化化(包括晶体管包括晶体管饱饱和和电电流、漏流、漏电电流、流、电电流放大系数、串流放大系数、串联电联电阻、阻、势垒势垒内建内建电势电势、结电结电容等参数容等参数)；噪声模型；噪声模型；禁禁带宽带宽度参数等等。度参数等等。使双极晶体管模型参数使双极晶体管模型参数总总数达到数达到60个个。七、获取晶体管模型参数的基本方法七、获取晶体管模型参数的基本方法(1)分分别别测测定定法法：通通过过测测

21、量量器器件件的的某某些些特特性性，直直接接得到或者推算出某些模型参数得到或者推算出某些模型参数值值。参参见见Ian.E.格特格特鲁鲁著著“双极型晶体管模型双极型晶体管模型”一一书书。(2)模模型型参参数数的的优优化化提提取取：以以测测定定的的一一组组器器件件端端特特性性为为出出发发点，采用点，采用优优化提取方法。化提取方法。OrCAD/PSpice软软件件包包提提供供有有模模型型参参数数提提取取模模块块ModelED。在在提提取取过过程程中中，对对不不同同类类型型的的器器件件，按按照照对对话话框框提提示示，输输入入相相应应的的器器件件端端特特性性测测量量数数据据，ModelED模模块块即提取出

22、相即提取出相应应的模型参数。的模型参数。为为了了进进一一步步提提高高提提取取精精度度，还还可可以以在在ModelED基基础础上再上再调调用用PSpice/Optimizor模模块进块进行全局行全局优优化。化。英文复习微电子学院微电子学院Chapter 5：switching characteristics of BJT Chapter 5：switching characteristics of BJT 微电子学院微电子学院微电子学院微电子学院Chapter 5：switching characteristics of BJT 微电子学院微电子学院Chapter 5：switching cha

23、racteristics of BJT 微电子学院微电子学院Chapter 5：switching characteristics of BJT 微电子学院微电子学院Chapter 1：PN Junction 微电子学院微电子学院Chapter 1：PN Junction 微电子学院微电子学院Chapter 1：PN Junction 微电子学院微电子学院Chapter 1：PN Junction 微电子学院微电子学院Chapter 1：PN Junction 微电子学院微电子学院Chapter 1:PN Junction Chapter 1:PN Junction 微电子学院微电子学院5.1.4 稳定断开、导通状态下基区少数载流子分布微电子学院微电子学院Chapter 1:PN Junction 微电子学院微电子学院Chapter 2:BJT Junction 微电子学院微电子学院微电子学院微电子学院Chapter 2:BJT Junction Chapter 2:BJT Junction 微电子学院微电子学院Chapter 2:BJT Junction 微电子学院微电子学院Chapter 2:BJT Junction 微电子学院微电子学院Chapter 2:BJT Junction 微电子学院微电子学院Chapter 2:BJT Junction 微电子学院微电子学院