双极晶体管模型幻灯片.ppt

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1、双极晶体管模型第1页，共43页，编辑于2022年，星期五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 第2页，共43页，编辑于2022年，星期五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 述述(1)电电路路中

2、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中采采用用的的模模型型不完全相同，模型参数的名称和个数也不尽相同。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，然然后后建建立立回回路路方方程程、计计算算求解。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，主主要要取取决决于于晶晶体体管

3、管模模型型是是否否正正确确，特特别别是是采采用用的的模模型参数是否真正代表实际器件的特性。型参数是否真正代表实际器件的特性。(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，因因此此应应折折衷衷考考虑虑。这样，对同一种器件，往往提出几种模型。这样，对同一种器件，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。每每个个模模型型参参数数均均有有内

4、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，相相当当于于不不考考虑虑相相应应的的效应。效应。(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将是是影影响响电电路路模模拟拟结果的关键问题。结果的关键问题。第3页，共43页，编辑于2022年，星期五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.modelQ

5、2N2222NPN(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)第4页，共43页，编辑于2022年，星期五二、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)若外加电压为：若外

6、加电压为：Vbe0,Vbc=0流过流过be的电流为：的电流为：IF=IESexp(qVbe/kt)-1则则Ie=-IF,IC=FIF(电流方向以流进电极为正电流方向以流进电极为正)若外加电压为：若外加电压为：Vbe0,Vbc0流过流过bc的电流为：的电流为：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，则得：则得：Ie=-IFRIRIC=FIF-IR这就是晶体管直流特性方程这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(

7、称为称为晶体管饱和电流晶体管饱和电流)，所以直流特性中只有所以直流特性中只有3个独立参数。个独立参数。取取3个模型参数为个模型参数为F、R和和IS。第5页，共43页，编辑于2022年，星期五二、二、EM1模型模型(J.J.Ebers J.L.Moll)2.实用关系式实用关系式对上述方程进行下述处理，可以得到实用的直流特性模型。对上述方程进行下述处理，可以得到实用的直流特性模型。记记FIFFIESexp(qVbe/kt)-1ISexp(qVbe/kt)-1ICCCC：CollectorCollectedRIRRICSexp(qVbc/kt)-1ISexp(qVbc/kt)-1IECEC：Emit

8、terCollected代入前面方程，得：代入前面方程，得：Ie=-IFRIRICC/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/R第6页，共43页，编辑于2022年，星期五2.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(晶体管饱和电流晶体管饱和电流)BF(正向电流放

9、大系数正向电流放大系数)BR(反向电流放大系数反向电流放大系数)。考虑到电流和电压的指数关系是考虑到电流和电压的指数关系是exp(qVbc/NFkt)和和exp(qVbe/NRkt)则直流模型中还要包括两个模型参数则直流模型中还要包括两个模型参数:NF(正向电流发射系数正向电流发射系数)NR(反向电流发射系数反向电流发射系数)。第7页，共43页，编辑于2022年，星期五二、二、EM1模型模型(J.J.Ebers J.L.Moll)Ie=-ICC/F-ICTIC=ICT-IEC/R第8页，共43页，编辑于2022年，星期五三、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

10、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容，就就得到考虑寄生参数和交流特性的得到考虑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虑考虑3个电极的串联电阻，新增个电极的串联电阻，新增3个模型参数：个模型参数：RB、RE和和RC。2.势垒电容势垒电容反偏情况下势垒电容的一般表达式为：反偏情况下势垒电容的一般表达式为：CJCT0(1-V/VJ)-mj一共有一共有3个参数。个参数。其中其中CT0是零偏势垒电容，与结面积以及工艺有关；是零偏势垒电容，与结面积以及工艺有关；VJ是势垒内建电势，与材料类型以及掺杂浓度有关；是势垒内建电势，与材料类型以及掺杂浓度

11、有关；mj是电容指数，与结两侧杂质分布情况有关。是电容指数，与结两侧杂质分布情况有关。考虑考虑eb结势垒电容，新增结势垒电容，新增3个模型参数：个模型参数：CTE0、VJE和和MJE。考虑考虑bc结势垒电容，新增结势垒电容，新增3个模型参数：个模型参数：CTC0、VJC和和MJC考虑衬底结势垒电容，新增考虑衬底结势垒电容，新增3个模型参数：个模型参数：CTS0、VJS和和MJS在正偏条件下，势垒电容的表达式为：在正偏条件下，势垒电容的表达式为：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(势垒电容正偏系数势垒电容正偏系数)

12、。第9页，共43页，编辑于2022年，星期五三、三、EM2模型模型3.扩散电容扩散电容发射结扩散电容为：发射结扩散电容为：CdeF(qICC/kT)新增模型参数：新增模型参数：TF(正向渡越时间正向渡越时间)集电结扩散电容为：集电结扩散电容为：CdcR(qIEC/kT)新增模型参数：新增模型参数：TR(反向渡越时间反向渡越时间)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个参数的内定值均为个参数的内定值均为0。若全部采用内定值，若全部采用内定值，

13、EM2模型将简化为模型将简化为EM1模型。模型。第10页，共43页，编辑于2022年，星期五三、三、EM2模型模型第11页，共43页，编辑于2022年，星期五四、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、小小电电流流下下复合电流的影响、大注入效应等，就成为复合电流的影响、大注入效应等，就成为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)基区宽度调制效应的影响基区宽度调制效应的影响随随着着|Vbc|的的增增

14、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制效效应应对这些参数的影响。对这些参数的影响。(2)正向正向Early电压电压采用正向采用正向Early电压电压VA描述基区宽度调制效应。描述基区宽度调制效应。第12页，共43页，编辑于2022年，星期五四、四、EM3模型模型(3)反向反向Early电压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，记为电压，记为VB。因因此此，考考虑

15、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(正正向向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，若若采采用用其其内定值，实际上就不考虑基区宽度调制效应。内定值，实际上就不考虑基区宽度调制效应。第13页，共43页，编辑于2022年，星期五四、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 (1)小电流效应的表征小电流效应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

16、由于于势势垒垒复复合合和和基基区区表表面面复复合合效效应应，使基区电流所占的比例增大。使基区电流所占的比例增大。为此，引入下述基区复合电流项描述为此，引入下述基区复合电流项描述be结的影响：结的影响：Ib(复合复合)=I2ISEexp(qVbe/NekT)-1对对bc结，采用同样方法，引入又一项基区复合电流：结，采用同样方法，引入又一项基区复合电流：I4ISCexp(qVbc/NckT)-1相当于等效电路中相当于等效电路中IB增加两个电流分量。增加两个电流分量。因此，要考虑基区复合电流的影响，需新增下述因此，要考虑基区复合电流的影响，需新增下述4个模型参数描述小电流下复个模型参数描述小电流下复

17、合电流对电流放大系数的影响：合电流对电流放大系数的影响：ISE(发射结漏饱和电流发射结漏饱和电流)ISC(集电结漏饱和电流集电结漏饱和电流)NE(发射结漏电流发射系数发射结漏电流发射系数)NC(集电结漏电流发射系数集电结漏电流发射系数)第14页，共43页，编辑于2022年，星期五四、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 第15页，共43页，编辑于2022年，星期五四、四、EM3模型模型(2)大注入效应的表征大注入效应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随随结结电电压压V的的增增加加变变慢慢，从从e

18、xp(qV/kT)关系逐步变为关系逐步变为exp(qV/2kT)。为此，只需将。为此，只需将ICC表达式作下述修正，等效电路无需变化：表达式作下述修正，等效电路无需变化：ICC=ISexp(qVbe/kT)-1/1+(IS/IKF)exp(qVbe/2kT)显然，在一般注入下，分母项近似等于显然，在一般注入下，分母项近似等于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可以忽略不计，则可以忽略不计，则ICC=ISexp(qVbe/2kT)对对bc结，作同样分析，得：结，作同样分析，得：IEC=ISexp(qVbc/kT)-1/1+(IS/IKR

19、)exp(qVbc/2kT)因此，考虑大注入效应，新增两个模型参数：因此，考虑大注入效应，新增两个模型参数：IKF：表征大电流下正向电流放大系数下降的膝点电流：表征大电流下正向电流放大系数下降的膝点电流 IKR：大电流下反向电流放大系数下降的膝点电流大电流下反向电流放大系数下降的膝点电流第16页，共43页，编辑于2022年，星期五四、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电压压和工作电流发生变化。和工作电流发生变化。为此采用下述表式进行修正：为此采用下

20、述表式进行修正：TF=TF01+XTF(ICC/(ICC+ITF)2exp(Vbc/1.44VTF)新增新增3个模型参数。个模型参数。XTF(表征偏置条件对渡越时间影响的偏置系数表征偏置条件对渡越时间影响的偏置系数)；ITF(表征表征ICC对渡越时间影响的特征电流对渡越时间影响的特征电流)；VTF(表征表征Vbc对渡越时间影响的特征电压对渡越时间影响的特征电压)。第17页，共43页，编辑于2022年，星期五五、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，以以及及在在哪哪种种工作状态下必需考虑该参数。工作

21、状态下必需考虑该参数。第18页，共43页，编辑于2022年，星期五基基本本的的双双极极晶晶体体管管模模型型参参数数第19页，共43页，编辑于2022年，星期五六、其他效应的考虑六、其他效应的考虑在在PSpice模拟软件采用的双极晶体管模型中，还同时考虑许多模拟软件采用的双极晶体管模型中，还同时考虑许多其他问题。例如：其他问题。例如：模型参数随温度的变化模型参数随温度的变化(包括晶体管饱和电流、漏电流、电流放大系包括晶体管饱和电流、漏电流、电流放大系数、串联电阻、势垒内建电势、结电容等参数数、串联电阻、势垒内建电势、结电容等参数)；噪声模型；噪声模型；禁带宽度参数等等。禁带宽度参数等等。使双极晶

22、体管模型参数总数达到使双极晶体管模型参数总数达到60个个。第20页，共43页，编辑于2022年，星期五七、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：通通过过测测量量器器件件的的某某些些特特性性，直直接接得得到到或或者者推算出某些模型参数值。推算出某些模型参数值。参见参见Ian.E.格特鲁著格特鲁著“双极型晶体管模型双极型晶体管模型”一书。一书。(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点，采用优化提取方法。发点，采用优化提取方法。OrCAD/PSpice软软件件包包提提供供有有模模型型参参数数

23、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器件端特性测量数据，的器件端特性测量数据，ModelED模块即提取出相应的模型参数。模块即提取出相应的模型参数。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基基础础上上再再调调用用PSpice/Optimizor模块进行全局优化。模块进行全局优化。第21页，共43页，编辑于2022年，星期五英文复习第22页，共43页，编辑于2022年，星期五微电子学院微电子学院Chapter 5：switching characterist

24、ics of BJT 第23页，共43页，编辑于2022年，星期五Chapter 5：switching characteristics of BJT 微电子学院微电子学院第24页，共43页，编辑于2022年，星期五微电子学院微电子学院Chapter 5：switching characteristics of BJT 第25页，共43页，编辑于2022年，星期五微电子学院微电子学院Chapter 5：switching characteristics of BJT 第26页，共43页，编辑于2022年，星期五微电子学院微电子学院Chapter 5：switching characterist

25、ics of BJT 第27页，共43页，编辑于2022年，星期五微电子学院微电子学院Chapter 1：PN Junction 第28页，共43页，编辑于2022年，星期五微电子学院微电子学院Chapter 1：PN Junction 第29页，共43页，编辑于2022年，星期五微电子学院微电子学院Chapter 1：PN Junction 第30页，共43页，编辑于2022年，星期五微电子学院微电子学院Chapter 1：PN Junction 第31页，共43页，编辑于2022年，星期五微电子学院微电子学院Chapter 1：PN Junction 第32页，共43页，编辑于2022年，

26、星期五微电子学院微电子学院Chapter 1:PN Junction 第33页，共43页，编辑于2022年，星期五Chapter 1:PN Junction 微电子学院微电子学院第34页，共43页，编辑于2022年，星期五5.1.4 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第35页，共43页，编辑于2022年，星期五Chapter 1:PN Junction 微电子学院微电子学院第36页，共43页，编辑于2022年，星期五Chapter 2:BJT Junction 微电子学院微电子学院第37页，共43页，编辑于2022年，星期五微电子学院微电子学院Chapter 2:BJT

27、 Junction 第38页，共43页，编辑于2022年，星期五Chapter 2:BJT Junction 微电子学院微电子学院第39页，共43页，编辑于2022年，星期五Chapter 2:BJT Junction 微电子学院微电子学院第40页，共43页，编辑于2022年，星期五Chapter 2:BJT Junction 微电子学院微电子学院第41页，共43页，编辑于2022年，星期五Chapter 2:BJT Junction 微电子学院微电子学院第42页，共43页，编辑于2022年，星期五Chapter 2:BJT Junction 微电子学院微电子学院第43页，共43页，编辑于2022年，星期五