Эффект Эрли

Вверху — ширина базы транзистора n-p-n при низком напряжении коллектор-база; внизу — при высоком напряжении, при повышении напряжения на коллекторе ширина базы уменьшается. Заштрихована обеднённая зона полупроводника.

Эффект Эрли в n-p-n биполярном транзисторе. Семейство коллекторных вольт-амперных характеристик при 4 разных фиксированных токах базы и зависимость малосигнального коэффициента передачи тока базы в ток коллектора в зависимости от коллекторного напряжения.

Эффе́кт Э́рли (эффект модуляции ширины базы при изменении коллекторного напряжения) — влияние обратного напряжения на коллекторном переходе биполярного транзистора, работающего в активном линейном режиме на токи биполярного транзистора.

Учёт этого эффекта уточняет модель работы биполярного транзистора, и не позволяет рассматривать последний в виде идеального источника тока.

Объяснение эффекта

Этот эффект проявляется в зависимости выходного дифференциального сопротивления каскада с общим эмиттером от напряжения $V_{CB}$ в активном режиме работы транзистора, также при увеличении $V_{CB}$ увеличивается коэффициент передачи тока базы.

Механизм возникновения этой зависимости следующий. При увеличении $V_{CE}$ коллекторный переход более сильно смещается в сторону запирания и при этом расширяется обеднённая зона коллекторного перехода за счёт уменьшения толщины базового слоя как показано на рисунке. Изменение напряжения на базе $V_{BE}$ относительно эмиттера (в прямосмещённом p-n переходе) при изменении управляющего тока незначительно изменяет ширину обеднённого слоя эмиттерного перехода и этим изменением можно пренебречь.

При сужении ширины базового слоя, вызванного увеличением (по модулю) $V_{CB}$ возрастает выходной ток коллектора, что обусловлено

1. снижением вероятности рекомбинации в суженном базовом слое;
2. увеличением градиента плотности объёмного заряда в базовом слое и, следовательно, ростом инжекции носителей заряда из эмиттера в базо-коллекторный переход.

Второй фактор увеличения тока коллектора называют эффектом Эрли.

Физическая модель биполярного транзистора с учётом эффекта Эрли

В этой уточнённой физической модели коллекторный ток $I_{\mathrm {C} }$ можно записать как:

$I_{\mathrm {C} }=I_{\mathrm {S} }e^{\frac {V_{\mathrm {BE} }}{V_{\mathrm {T} }}}\left(1+{\frac {V_{\mathrm {CE} }}{V_{\mathrm {A} }}}\right),$

где $I_{\mathrm {S} }$ — ток насыщения обратно смещённого коллекторного перехода;

$V_{\mathrm {CE} }$ — напряжение коллектор-эмиттер;

$V_{\mathrm {T} }$ — температурный потенциал, $V_{\mathrm {T} }=\mathrm {kT/q} ,~$ $\mathrm {k}$ — постоянная Больцмана, $\mathrm {T}$ — абсолютная температура, $\mathrm {q}$ — элементарный заряд, при комнатной температуре $V_{\mathrm {T} }\approx 23$ мВ;

$V_{\mathrm {A} }$ — напряжение Эрли, равное напряжению в точке пересечения линейно-экстраполированных коллекторных вольт-амперных характеристик области активного режима с осью напряжений графика, величина этого напряжения изменяется от 15 до 150 В, причем оно меньше для транзисторов меньших размеров (см. рисунок);

$V_{\mathrm {BE} }$ — напряжение база-эмиттер.

Малосигнальный коэффициент передачи тока базы в ток коллектора $\beta _{\mathrm {F} }$ в этой модели:

$\beta _{\mathrm {F} }=\beta _{\mathrm {F0} }\left(1+{\frac {V_{\mathrm {CE} }}{V_{\mathrm {A} }}}\right),$

где $\beta _{\mathrm {F0} }$ — коэффициент передачи тока базы при нулевом смещении, зависимость этого коэффициента от $V_{\mathrm {CE} }$ показана на рисунке снизу.

Эффект Эрли снижает выходное дифференциальное сопротивление $r_{O}$ каскада с общим эмиттером, в этой упрощённой модели это сопротивление выражается:

$r_{O}={\frac {V_{A}+V_{CE}}{I_{C}}}\approx {\frac {V_{A}}{I_{C}}},$

это сопротивление включено параллельно коллекторному переходу и снижает выходное дифференциальное сопротивление, например, в схеме токового зеркала.

См. также

• Эффект Кирка

Ссылки

• Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.

Литература

• Сугано, Т., Икома Т., Такэиси Ё. Введение в микроэлектронику. — М. : Мир, 1988. — С. 102. — ISBN 5-03-001109-9.