縱向晶體管及橫向晶體管的原理與區(qū)別

晶體管（transistor）是一種固體半導(dǎo)體器件，具有檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開關(guān)，能夠基于輸入電壓控制輸出電流。與普通機(jī)械開關(guān)（如Relay、switch）不同，晶體管利用電訊號(hào)來控制自身的開合，而且開關(guān)速度可以非常快，實(shí)驗(yàn)室中的切換速度可達(dá)100GHz以上。

晶體管主要分為兩大類：雙極性晶體管（BJT）和場效應(yīng)晶體管（FET）。

晶體管有三個(gè)極；雙極性晶體管的三個(gè)極，分別由N型跟P型組成發(fā)射極（Emitter）、基極（Base） 和集電極（Collector）；場效應(yīng)晶體管的三個(gè)極，分別是源極（Source）、柵極（Gate）和漏極（Drain）。

晶體管因?yàn)橛腥N極性，所以也有三種的使用方式，分別是發(fā)射極接地（又稱共射放大、CE組態(tài)）、基極接地（又稱共基放大、CB組態(tài)）和集電極接地（又稱共集放大、CC組態(tài)、發(fā)射極隨耦器）。

晶體管的優(yōu)越性

同電子管相比，晶體管具有諸多優(yōu)越性：

1、構(gòu)件沒有消耗

無論多么優(yōu)良的電子管，都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。由于技術(shù)上的原因，晶體管制作之初也存在同樣的問題。隨著材料制作上的進(jìn)步以及多方面的改善，晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍，稱得起永久性器件的美名。

2、消耗電能極少

僅為電子管的十分之一或幾十分之一。它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產(chǎn)生自由電子。一臺(tái)晶體管收音機(jī)只要幾節(jié)干電池就可以半年一年地聽下去，這對(duì)電子管收音機(jī)來說，是難以做到的。

3、不需預(yù)熱

一開機(jī)就工作。例如，晶體管收音機(jī)一開就響，晶體管電視機(jī)一開就很快出現(xiàn)畫面。電子管設(shè)備就做不到這一點(diǎn)。開機(jī)后，非得等一會(huì)兒才聽得到聲音，看得到畫面。顯然，在軍事、測(cè)量、記錄等方面，晶體管是非常有優(yōu)勢(shì)的。

4、結(jié)實(shí)可靠

比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動(dòng)，這都是電子管所無法比擬的。另外，晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一，放熱很少，可用于設(shè)計(jì)小型、復(fù)雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密，但工序簡便，有利于提高元器件的安裝密度。

晶體管的開關(guān)作用

（一）控制大功率

現(xiàn)在的功率晶體管能控制數(shù)百千瓦的功率，使用功率晶體管作為開關(guān)有很多優(yōu)點(diǎn)，主要是；

（1）容易關(guān)斷，所需要的輔助元器件少，

（2）開關(guān)迅速，能在很高的頻率下工作，

（3）可得到的器件耐壓范圍從100V到700V，應(yīng)有盡有。

幾年前，晶體管的開關(guān)能力還小于10kW。目前，它已能控制高達(dá)數(shù)百千瓦的功率。這主要?dú)w功于物理學(xué)家、技術(shù)人員和電路設(shè)計(jì)人員的共同努力，改進(jìn)了功率晶體管的性能。如

（1）開關(guān)晶體管有效芯片面積的增加，

（2）技術(shù)上的簡化，

（3）晶體管的復(fù)合——達(dá)林頓，

（4）用于大功率開關(guān)的基極驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步。 、

（二）直接工作在整流380V市電上的晶體管功率開關(guān)

晶體管復(fù)合（達(dá)林頓）和并聯(lián)都是有效地增加晶體管開關(guān)能力的方法。

在這樣的大功率電路中，存在的主要問題是布線。很高的開關(guān)速度能在很短的連接線上產(chǎn)生相當(dāng)高的干擾電壓。

（三）簡單和優(yōu)化的基極驅(qū)動(dòng)造就的高性能

今日的基極驅(qū)動(dòng)電路不僅驅(qū)動(dòng)功率晶體管，還保護(hù)功率晶體管，稱之為“非集中保護(hù)” （和集中保護(hù)對(duì)照）。集成驅(qū)動(dòng)電路的功能包括：

（1）開通和關(guān)斷功率開關(guān)；

（2）監(jiān)控輔助電源電壓；

（3）限制最大和最小脈沖寬度；

（4）熱保護(hù)；

（5）監(jiān)控開關(guān)的飽和壓降。

集成NPN晶體管概述

在雙極型線性集成電路中NPN晶體管的用量最多，所以它的質(zhì)量對(duì)電路性能的影響最大。集成NPN晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2—69所示。它是在P型襯底上擴(kuò)散高摻雜的N+型掩埋層，生長N型外延層，擴(kuò)散P型基區(qū)、N+型發(fā)射區(qū)和集電區(qū)而制成的。其中N+型掩埋層的作用是為了減小集電區(qū)的體電阻。

縱向晶體管與橫向晶體管的原理及區(qū)別

（1）縱向PNP管：

縱向PNP管也稱襯底管，由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，內(nèi)部的載流子沿著縱向運(yùn)動(dòng)。這種管子的特點(diǎn)是，管子的基區(qū)寬度WB可以準(zhǔn)確地控制，而且做得很薄。因此，縱向PNP管的β很大。超β管的β值在2000一5000（α＝0.995-0.9998）。

是以P型襯底作為集電極，因此只有集成元器件之間采用PN結(jié)隔離槽的集成電路才能制作這種結(jié)構(gòu)的管子。由于這種結(jié)構(gòu)管子的載流子是沿著晶體管斷面的垂直方向運(yùn)動(dòng)的，故稱為縱向PNP管。這種管子的基區(qū)可準(zhǔn)確地控制使其很薄，因此它的電流放大系數(shù)較大。由于縱向PNP管的集電極必須接到電路中電位的最低點(diǎn)，因而限制了它的應(yīng)用。在電路中它通常作為射極跟隨器使用。

（2）橫向PNP管：

這種結(jié)構(gòu)管子的載流子是沿著晶體管斷面的水平方向運(yùn)動(dòng)的，故稱為橫向PNP管。由于受工藝限制，基區(qū)寬度不可能很小，所以它的值相對(duì)較低，一般為十幾倍到二、三十倍。橫向PNP管的優(yōu)點(diǎn)是：

發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都有較高的反向擊穿電壓，所以它的發(fā)射結(jié)允許施加較高的反壓；另外它在電路中的連接方式不受任何限制，所以比縱向PNP管有更多的用途。它的缺點(diǎn)是結(jié)電容較大，特征頻率fT較低，一般為幾~幾十兆赫。

在集成電路設(shè)計(jì)中，往往把橫向PNP和縱向PNP管巧妙地接成復(fù)合組態(tài)，構(gòu)成性能優(yōu)良的放大器。如鏡像電源、微電流源、有源負(fù)載、共基—共射、共基—共集放大器等。

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