基區展寬效應

BJT的基區寬度在大電流時發生展寬的現象,即稱為基區展寬(擴展)效應,也稱為Kirk效應。

BJT的基區寬度在大電流時發生展寬的現象,即稱為基區展寬(擴展)效應,也稱為Kirk效應
BJT在大電流工作時還容易出現的一些效應是“發射極電流集邊效應(基極電阻自偏壓效應)”和“基區電導調製效應Webster效應)”。
基區展寬效應(Kirk效應)不同於基區寬度調製效應(Early效應),後者是在較大集電結電壓時所出現的一種現象,是基區寬度隨電壓而發生變化,不是基區寬度的淨展寬。
(1)基區展寬效應的產生機理:

對於一般放大工作的npn-BJT,由於集電結加有反向電壓,則在基區尾部、靠近集電結勢壘邊緣處的電子(少子)被抽出、使得該處的電子濃度=0。但是如果是在大電流工作時,由於注入的電子濃度很大,所以這時在基區尾部、集電結勢壘邊緣處,電子(少子)濃度實際上並不為0,而是等於Jc/(qvs),其中Jc是集電極電流密度,vs是電子的飽和漂移速度(接近電子的熱運動速度,~106s/cm);在這種情況下,電子在中性基區內雖然被空穴所中和,但電子在進入到集電結耗盡層內後卻增加了耗盡層中的負電荷,從而在集電結電壓Vbc不變時,就將使得集電結的負空間電荷層變窄(正空間電荷層相應變寬),這就導致基區變寬;進一步,若集電極電流密度Jc增大到Jc/(qvs)>Nc時(Nc是集電區的摻雜濃度),則集電結的負空間電荷層將推移到集電區內,即中性基區進一步展寬到集電區,這就是產生了Kirk效應——基區展寬效應。 根據集電結耗盡層(令其中電場的分布為E(x))的Poisson方程 dE/dx = -q [(Jc/(qvs)-NC]/eeo,
則可以計算出產生Kirk效應的臨界電流密度為: Jco ≈ q vs Nc。
當集電極電流密度大於Jco時,即將出現Kirk效應。

(2)基區展寬效應所造成的影響:

①使基區空間體積增大,導致存儲少子電荷數量增加,開關速度下降;
②使電流放大係數b下降,導致工作電流受到限制(Kirk效應是造成BJT在大電流時b下降的主要原因,當b下降到一半時的集電極電流即定為BJT的最大工作電流);
③使少子渡越基區的時間增長,器件頻率特性變差(Kirk效應是造成BJT在大電流時特徵頻率fT下降的主要原因)。
總之,Kirk效應對於BJT的高頻功率性能有著很大的不良影響,所以在設計高頻大功率BJT時,所需要解決的主要問題就是如何減小或防止Kirk效應。

(3)防止出現基區展寬效應的方法:

採取的主要方法是限制集電極電流密度Jc,使得它不要超過產生Kirk效應的臨界電流密度Jco。
具體的有效措施是:①提高集電區的摻雜濃度,以增大臨界電流密度;②減小集電區的厚度,以限制集電結耗盡層的不斷推移;③設定集電極最大允許工作電流。 

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