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VA。
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。总的来说,增加集电极电压(VC),集电极电流(IC)也会跟着上升。
厄利电压是什么
这里以NPN管举例:
其伏安特性曲线如下:
(1)输入特性曲线:
有模电基础的同学都了解,三极管有三个工作区:饱和区、放大区、截止区
(1)截止区:把 I B ≤0的区域称为截止区。此时发射结上所加的电压 U BE 不足以克服发射结的死区电压,甚至发射结处于反向偏置状态( U BE <0,所以形成的 I C (或 I E )很小,仅有很小的穿透电流 I CBO 。 简单来说,BE电压差不足,此时发射结没正偏。
(2)饱和区: 简单来说,发射结和集电结均正偏 。此时,U BE >0,三极管脱离截止区, I B >0,但是此时U CE < U BE ,即集电极电压不够高导致集电结也正偏了。集电结的正偏不利于集电区吸引基区的少子(电子),那么 I C ≠βI B ,两者之间没有控制关系,集电极电流不随基极电流而变化,好像饱和了一般,所以将这一工作区称为“饱和区”。 注意,此时的三极管是没有放大能力的!
从饱和区向放大区过度时,U CE 将逐渐增大,随着PN结从正偏向反偏过度,集电区对基区少子(电子,也是发射极的多子)的吸引能力越来越强, I C 将迅速增大,随后脱离饱和区进入放大区,并稳定在某值。
(3)放大区: 简单来说,发射结正偏和集电结反偏,发射极的多子(电子)源源不断的流向了集电极。 随着U CE 的电压增大,集电结反偏,此时 I C =βI B 成立,I C 与I B 之间呈线性的放大关系,所以称为“放大区”。此时U CE 继续增大并不会影响PN结的反偏,U CE 失去了对I C 的控制,I B 的增大时I C 会随之增大。因此有种说法称三极管为“电流控制的电流源(I B 对I C 的控制)”。
这里可以补充一句,相对应的,MOS管是一种电压控制的电流源(U GS 对I D 的控制)。
MOS管和三极管的类比:
视频指路: https://wwwbilibilicom/video/BV1oE41197VRfrom=search&seid=8688819613439439886
可以发现实际放大区电流曲线并非水平的,而是有一定的斜率,且将多条放大区电流线反向延长发现交于一点,这一点的电位称为厄利电压V_AF:
这也是为什么三极管的集电极放大区命名有很大的工作范围,但是实际电路设计中只将其规范在很小的范围内,就是为了避免厄利效应的影响,从而使得电路工作的更加线性。
三极管如此,MOS管也如此,MOS管有类似的沟道长度调制效应(有时也把它叫做厄利效应)。所以为了电路设计更为线性,对于工作于放大区的三极管,需要规范其V CE 的范围,对于工作于饱和区的MOS管,需要规范其V DS 的范围。

(1)三极管搭建的电流镜:
这种威尔逊电流镜的优点:
① 使得Q1的V CE 稳定在14V,Q2的V CE 稳定在07V,不论外界电路怎么变,两个三极管的V CE 都很稳定,因此其放大倍数也很稳定,厄利效应的影响几乎消失了。因此输出电流几乎完全不再受到负载电阻的干扰。
② 输入输出电流比值更接近于1:
(4)进一步的发展:
① 比例电流镜:在输入输出回路上加电阻,使得输入输出比值不再≈1,而是呈现一定的放大、缩小的比例关系
② 微电流电流镜(uA级):在Q1或Q2的发射极加小电阻,使得输入电流达到微安级
③ 可以将三极管换成MOS管,也可以实现电流镜的功能:
厄利电压物理意义
厄利电压: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,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VA。
厄利效应(英语:Early effect),又译厄尔利效应,也称基区宽度调制效应,是指当双极性晶体管(BJT)的集电极-射极电压VCE改变,基极-集电极耗尽宽度WB-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。

厄利效应的大信号模型
电势差、能量转换、路径选择。厄利电压本质上是电势差的一种体现;厄利电压还反映了电子在电场中运动过程中路径选择的影响;由于电势能的变化可以转化为电能或其他形式的能量,因此厄利电压也可以描述能量从电场中传输到电荷的过程。厄利电压,由于基区变得更窄,电子与空穴复合的可能性更小。
在正向有源区中,厄利效应使集电区电流IC和正向共射极电流放大系数βF发生了改变,通常二者满足下列关系:
其中VCE是集电极-发射极电压VT是热电压kT / qVA是厄利电压(一般为15 V-150 V,对于小型设备会更小)βF0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VCB(基区宽度调制)而不是集电极-发射极电压VCE的基础上。利用VCB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VCB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VCB。


