晶体_纵向晶体管与横向晶体管的原理及区别

晶体管概要

晶体管( transistor )是具有检测、整流、放大、开关、稳定化、信号调制等各种功能的固体半导体装置。 晶体管作为可变电流开关，能够根据输入电压控制输出电流。 与常规机械开关( Relay、switch等)不同，晶体管利用通信信号控制开关并且开关速度非常快，实验室中的切换速度为100GHz以上。

晶体管主要分为双极晶体管( BJT )和场效应晶体管( fet ) 2种。

晶体管有3个极的双极晶体管的3个极分别是由n型和p型构成的发射极、基极、集电极场效应晶体管的3个极分别是源极、栅极、漏极。

由于晶体管具有3个极性，所以也有发射极接地(也称为共射放大器、CE结构)、基极接地(也称为共基放大器、CB结构)、集电极接地(也称为共集放大器、CC结构、发射极跟随器)这3种使用方式。

晶体管优势

晶体管比真空管有很多优势

1 .部件未消耗

无论多么优秀的电子管，都会因阴极原子的变化和慢性气体泄漏而劣化。 由于技术原因，晶体管制作当初也存在同样的问题。 随着材料制作的进步和多方面的改进，晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍，被称为永久器件的美名。

2 .用电极少

只是电子管的十分之一或十分之一。 不需要像电子管那样加热灯丝来制造自由电子。 晶体管收音机如果有几节干电池的话半年可以听一年，但对电子管收音机来说很难。

3 .无需预热

一接通电源就工作。 例如，晶体管收音机打开后立即响起，晶体管电视机打开后立即显示画面。 用电子管设备做不到。 打开电源后，不等一会儿就听不到声音，能看到画面。 显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管非常有利。

4 .结实可靠

比真空管可靠100倍，抗冲击能力强，抗振动能力强，这是真空管所无法比拟的。 另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，发热少，因此能够设计小型、复杂、可靠性高的电路。 晶体管制造工艺精密，工艺简单，有利于提高部件安装密度。

晶体管开关作用

(1)控制大功率

现在的功率晶体管能够控制数百千瓦的功率，有很多将功率晶体管用作开关的优点，主要是

(1)容易关闭，需要的辅助部件少

(2)开关快，在高频下工作；

(3)得到的元件耐压范围从100V到700V，全部齐全。

几年前，晶体管的开关能力不足10kW。 现在可以控制数百千瓦的电力了。 这主要是通过物理学家、技术人员和电路设计人员的合作，改善了功率晶体管的性能。 如

(1)开关晶体管有效芯片面积的增加

(二)技术简化

(3)晶体管的复合——达林顿

(4)动力开关基座驱动技术的进步。 、

(2)直接操作于整流380V商用电源的晶体管功率开关

晶体管复合(达林顿)和并联是有效增加晶体管开关能力的方法。

在这种大功率电路中，布线是主要问题。 高开关速度使短电缆产生相当高的噪声电压。

(3)基于简单优化的基座驱动的高性能

今天的基极驱动电路不仅驱动功率晶体管，还被称为保护功率晶体管的“非集中保护”(与集中保护对比)。 集成驱动电路的功能如下所示

(1)电源开关的接通和断开

(2)监视辅助电源电压

(3)限制最大和最小脉宽

(4)热保护

(5)监测开关的饱和电压降。

集成NPN晶体管概述

双极型线性集成电路中NPN晶体管的使用量最多，因此其质量对电路性能的影响最大。 集成NPN晶体管的结构图如图2—69所示。 在p型基板上扩散高掺杂的N+型埋入层，生长n型外延层，扩散p型基极区域、N+型发射极区域、集电极区域。 其中N+型埋入层的作用是为了减小集电区域的体阻。

垂直晶体管和水平晶体管的原理不同

(1)纵PNP管:

立式PNP管也称为基板管，由于结构的关系，内部的载流子沿纵向移动。 该管的特征是管的基本区域的宽度WB被正确地控制、变薄。 因此，纵PNP管的β较大。 超β管的β值为2000−5000(α=0.995−0.9998 )。

因为以p型基板为集电极，所以只有在集成元件之间采用了PN结隔离槽的集成电路才能制作出这种结构的管。 由于该结构的管的载体在晶体管截面的垂直方向上移动，因此被称为纵型PNP管。 由于该管的基极区域能够正确地控制得较薄，因此电流放大率较大。 由于垂直PNP管的集电极必须与电路中的电势最低点相连接，因此其应用受到限制。 电路中通常用作发射极跟随器。

(2)横向PNP气管:

由于该结构的管的载体沿晶体管截面的水平方向移动，因此称为横PNP管。 由于过程不会减小基本区域的宽度，因此，该值相对较低，并且一般为十几至二、三十倍。 横向PNP管的优点在于

由于辐射接合和集电接合都具有高反向耐压，因此该辐射接合可以施加高反向电压，而且电路上的连接方式没有任何限制，因此有比立式PNP管更多的用途。 其缺点是结电容大，特征频率fT低，一般为数~数十兆赫兹。

在集成电路设计中，往往将横向PNP和纵向PNP的管巧妙地复合结构连接，构成性能良好的放大器。 例如，镜电源、微电流源、有源负载、共基-共射、共基-共集放大器等.

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