纵向晶体管及横向晶体管的原理与区别

晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关（如Relay、switch）不同，晶体管利用电讯号来控制自身的开合，而且开关速度可以非常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。

晶体管主要分为两大类：双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。

晶体管有三个极；双极性晶体管的三个极，分别由N型跟P型组成发射极（Emitter）、基极（Base） 和集电极（Collector）；场效应晶体管的三个极，分别是源极（Source）、栅极（Gate）和漏极（Drain）。

晶体管因为有三种极性，所以也有三种的使用方式，分别是发射极接地（又称共射放大、CE组态）、基极接地（又称共基放大、CB组态）和集电极接地（又称共集放大、CC组态、发射极随耦器）。

晶体管的优越性

同电子管相比，晶体管具有诸多优越性：

1、构件没有消耗

无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因，晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍，称得起永久性器件的美名。

2、消耗电能极少

仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去，这对电子管收音机来说，是难以做到的。

3、不需预热

一开机就工作。例如，晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后，非得等一会儿才听得到声音，看得到画面。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。

4、结实可靠

比电子管可靠100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度。

晶体管的开关作用

（一）控制大功率

现在的功率晶体管能控制数百千瓦的功率，使用功率晶体管作为开关有很多优点，主要是；

（1）容易关断，所需要的辅助元器件少，

（2）开关迅速，能在很高的频率下工作，

（3）可得到的器件耐压范围从100V到700V，应有尽有。

几年前，晶体管的开关能力还小于10kW。目前，它已能控制高达数百千瓦的功率。这主要归功于物理学家、技术人员和电路设计人员的共同努力，改进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，

（2）技术上的简化，

（3）晶体管的复合——达林顿，

（4）用于大功率开关的基极驱动技术的进步。 、

（二）直接工作在整流380V市电上的晶体管功率开关

晶体管复合（达林顿）和并联都是有效地增加晶体管开关能力的方法。

在这样的大功率电路中，存在的主要问题是布线。很高的开关速度能在很短的连接线上产生相当高的干扰电压。

（三）简单和优化的基极驱动造就的高性能

今日的基极驱动电路不仅驱动功率晶体管，还保护功率晶体管，称之为“非集中保护” （和集中保护对照）。集成驱动电路的功能包括：

（1）开通和关断功率开关；

（2）监控辅助电源电压；

（3）限制最大和最小脉冲宽度；

（4）热保护；

（5）监控开关的饱和压降。

集成NPN晶体管概述

在双极型线性集成电路中NPN晶体管的用量最多，所以它的质量对电路性能的影响最大。集成NPN晶体管的结构示意图如图2—69所示。它是在P型衬底上扩散高掺杂的N+型掩埋层，生长N型外延层，扩散P型基区、N+型发射区和集电区而制成的。其中N+型掩埋层的作用是为了减小集电区的体电阻。

纵向晶体管与横向晶体管的原理及区别

（1）纵向PNP管：

纵向PNP管也称衬底管，由于结构的关系，内部的载流子沿着纵向运动。这种管子的特点是，管子的基区宽度WB可以准确地控制，而且做得很薄。因此，纵向PNP管的β很大。超β管的β值在2000一5000（α＝0.995-0.9998）。

是以P型衬底作为集电极，因此只有集成元器件之间采用PN结隔离槽的集成电路才能制作这种结构的管子。由于这种结构管子的载流子是沿着晶体管断面的垂直方向运动的，故称为纵向PNP管。这种管子的基区可准确地控制使其很薄，因此它的电流放大系数较大。由于纵向PNP管的集电极必须接到电路中电位的最低点，因而限制了它的应用。在电路中它通常作为射极跟随器使用。

（2）横向PNP管：

这种结构管子的载流子是沿着晶体管断面的水平方向运动的，故称为横向PNP管。由于受工艺限制，基区宽度不可能很小，所以它的值相对较低，一般为十几倍到二、三十倍。横向PNP管的优点是：

发射结和集电结都有较高的反向击穿电压，所以它的发射结允许施加较高的反压；另外它在电路中的连接方式不受任何限制，所以比纵向PNP管有更多的用途。它的缺点是结电容较大，特征频率fT较低，一般为几~几十兆赫。

在集成电路设计中，往往把横向PNP和纵向PNP管巧妙地接成复合组态，构成性能优良的放大器。如镜像电源、微电流源、有源负载、共基—共射、共基—共集放大器等。

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