厄利效应

厄利效应（英语：Early effect），又译厄尔利效应或译欧莱效应，也称基区宽度调制效应，是指当双极性晶体管（BJT）的集电极－发射极电压V_CE改变，基极－集电极耗尽宽度W_B-C（耗尽区大小）也会跟着改变。此变化称为厄利效应，由詹姆斯·M·厄利（James M. Early）所发现。

图1：上：集电极－基极反向偏置较小时的NPN基区宽度（较宽）；下：集电极－基极反向偏置较大时的NPN基区宽度（较窄）。画有阴影的区域为耗尽区。

现象

右图中的有效中性基区为绿色，基区相邻的耗尽区为画有阴影的淡绿色，中性发射区和集电区为深蓝色，集电区相邻的耗尽区为画有阴影的淡蓝色。从图1中可以看到，若集电极－基极反向偏置增大，则基区相邻的耗尽区越宽，中性基区越窄。

在反向偏置电压的作用下，集电区相邻的耗尽区也会变宽，宽度超过基区相邻的耗尽区，因为集电区掺杂低。中性区和耗尽区的宽度的和要保持不变，因为二者符合电中和原理。集电区变窄不会产生非常大的影响，因为其宽度远大于基区。发射极－基极结不会发生变化，因为电压不变。

基区变窄对于电流的影响有以下两方面：

• 由于基区变得更窄，电子与空穴复合的可能性更小。
• 若穿过基区的电荷梯度增加，那么注入基区的少子电流会增加。

若集电区电压升高，以上因素都会使集电区或晶体管的输出电流增大，如下图所示的BJT输出特性曲线。特性曲线中电压较大时的切线进行反向外推，其延长线与电压轴相交，在电压轴上截得的负截距称为厄利电压（Early voltage），记为V_A。

从厄利效应可以看出，如果BJT的基区宽度发生变化，会导致更大的反向偏置电压在集电极－基极接面，会增加集电极－基极耗尽区宽度，减少基区宽度。整体来说，增加集电极电压（V_C），集电极电流（I_C）也会跟着上升。

大信号模型

在正向有源区中，厄利效应使集电区电流${\displaystyle I_{\mathrm {C} }}$和正向共射极电流放大系数${\displaystyle \beta _{\mathrm {F} }}$发生了改变，通常二者满足下列关系：^[1][2]

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

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

其中

• ${\displaystyle V_{\mathrm {CE} }}$是集电极－发射极电压
• ${\displaystyle V_{\mathrm {T} }}$是热电压${\displaystyle \mathrm {kT/q} }$
• ${\displaystyle V_{\mathrm {A} }}$是厄利电压（一般为15 V－150 V，对于小型设备会更小）
• ${\displaystyle \beta _{\mathrm {F0} }}$是零偏压时的正向共射极电流放大系数

某些模型把集电极电流校正系数建立在集电极－基极电压V_CB（见基区宽度调制）而不是集电极－发射极电压V_CE的基础上。^[3]利用V_CB建模在物理上似乎更为合理，因为从厄利效应的物理原因上来看，集电极－基极耗尽层的变宽取决于V_CB的变化。计算机模型例如SPICE中所用的模型都使用集电极－基极电压V_CB。^[4]

小信号模型

在小信号电路模型（如混合π模型）中，厄利效应可以被定义为满足如下关系的电阻：^[5]

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

可看出上式与晶体管的集电极－发射极PN结有关，因此这一电阻定义可解释简单电流镜或有源负载共射极放大器的有限输出电阻。

若与SPICE中保持一致，使用${\displaystyle V_{CB}}$来表示电阻，则上式变为：

${\displaystyle r_{O}={\frac {V_{A}+V_{CB}}{I_{C}}}\ }$

对于MOSFET，输出电阻在Shichman-Hodges模型^[6]（在非常陈旧的技术中是精确模型）中被定义为：

${\displaystyle r_{O}={\begin{matrix}{\frac {1+\lambda V_{DS}}{\lambda I_{D}}}\end{matrix}}={\begin{matrix}{\frac {1/\lambda +V_{DS}}{I_{D}}}\end{matrix}}}$,

其中${\displaystyle V_{DS}}$=漏源极电压，${\displaystyle I_{D}}$=漏极电流，${\displaystyle \lambda }$=沟道长度调制系数，通常与沟道长度L成反比。由于MOSFET也有类似的双极性，MOSFET中也会使用“厄利效应”这一术语来描述类似的现象。

参考文献

1. R.C. Jaeger and T.N. Blalock. Microelectronic Circuit Design. McGraw-Hill Professional. 2004: 317 [2010-08-13]. ISBN 0072505036. （原始内容存档于2012-11-13）.
2. Massimo Alioto and Gaetano Palumbo. Model and Design of Bipolar and Mos Current-Mode Logic: CML, ECL and SCL Digital Circuits. Springer. 2005 [2010-08-13]. ISBN 1402028784. （原始内容存档于2012-11-13）.
3. Paolo Antognetti and Giuseppe Massobrio. Semiconductor Device Modeling with Spice. McGraw-Hill Professional. 1993 [2010-08-13]. ISBN 0071349553. （原始内容存档于2012-11-13）.
4. Orcad PSpice Reference Manual named PSpcRef.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆）, p. 209. This manual is included with the free version of Orcad PSpice, but they do not maintain a copy on line. If the link given here expires, try Googling PSpcRef.pdf.
5. R.C. Jaeger and T.N. Blalock. Microelectronic Circuit Design Second Edition. McGraw-Hill Professional. 2004: Eq. 13.31, p. 891 [2010-08-13]. ISBN 0-07-232099-0. （原始内容存档于2009-02-28）. 引文格式1维护：冗余文本 (link)
6. NanoDotTek Report NDT14-08-2007, 12 August 2007 存档副本 (PDF). [2015-03-23]. （原始内容 (PDF)存档于2012-06-17）.

参见

• 小信号模型