(1)基本概念:E-M模型(Ebers-Moll model) 是用来概括BJT的电学特性的一种模型(或者等效电路)。理想BJT的E-M模型,是一种非线性直流模型(记为EM1模型),对直流分析很有用处。如果再计入非线性电荷存储效应和串联电阻,则记为EM2模型,该模型在集成电路分析设计等许多场合经常使用(因为模拟精度高、建模简易、快速、结果易理解等)。进一步,若再计入BJT的各种二级效应(如基区宽度调制效应、基区展宽效应、温度的影响等),则得到EM3模型。EM3模型与所谓G-P模型(Gummel-Poon model)是等价的,模拟精度很高,但较为复杂,故这种模型只有在要求较高精度时才使用。
(2)E-M模型描述:对于理想BJT(本征晶体管)的EM1模型,实际上是基于正向和反向工作的两个BJT的叠加、并分别用两个p-n结二极管来代表发射结和集电结这样一种概念而建立起来的,即是采用两个二极管(正偏二极管的电流为If,反偏二极管的电流为Ir)和两个电流源(αfIf和αrIr)来表示一个理想的BJT(αf和αr分别是正向和反向电流增益),这就可给出基本E-M模型的直流大信号等效电路。
E-M方程是根据器件的基本物理特性而建立起来的,其中含有四个模型参量,但实际上只有三个是独立的参量,并且这些参量都可以与器件的材料、工艺和结构参数联系起来。然而,E-M方程也可以看成是经验的关系式,其中的参量可以通过与实验数据相比较来求得。E-M方程适用于BJT的各种工作状态。
对于实际的BJT,在本征晶体管模型的基础上,还需要考虑其他一些因素的影响。实际BJT的直流大信号E-M模型需要加上与各个电极相应的串联电阻。而实际BJT的交流大信号E-M模型还进一步增添了两个结的耗尽层电容(CE,CC)和表征Early效应的电流源(电流等于VECIC/VA)。
(3)E-M模型的优点:E-M模型具有以下一些优点:
①模型参数能较好地反映晶体管的物理本质;
②能把器件的电学特性与工艺参数联系起来;
③模型中的参数容易测量;
④该模型属于直流大信号模型,它不仅可用于BJT,而且也可用于p-n-p-n等结构较为复杂的器件;
⑤该模型虽然属于直流大信号模型,但若在电路分析程序(SPICE或PSPICE)中,再加入各种电容之后,即不仅可用于直流分析,而且也可用于瞬态分析。