一文看懂縱向電晶體與橫向電晶體的原理及區別

2020-11-25 電子發燒友

　　電晶體簡介

　　電晶體（transistor）是一種固體半導體器件，具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調製等多種功能。電晶體作為一種可變電流開關，能夠基於輸入電壓控制輸出電流。與普通機械開關（如Relay、switch）不同，電晶體利用電訊號來控制自身的開合，而且開關速度可以非常快，實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

　　電晶體主要分為兩大類：雙極性電晶體（BJT）和場效應電晶體（FET）。

　　電晶體有三個極；雙極性電晶體的三個極，分別由N型跟P型組成發射極（Emitter）、基極（Base） 和集電極（Collector）;場效應電晶體的三個極，分別是源極（Source）、柵極（Gate）和漏極（Drain）。

　　電晶體因為有三種極性，所以也有三種的使用方式，分別是發射極接地（又稱共射放大、CE組態）、基極接地（又稱共基放大、CB組態）和集電極接地（又稱共集放大、CC組態、發射極隨耦器）。

　　電晶體的優越性

　　同電子管相比，電晶體具有諸多優越性：

　　1、構件沒有消耗

　　無論多麼優良的電子管，都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。由於技術上的原因，電晶體製作之初也存在同樣的問題。隨著材料製作上的進步以及多方面的改善，電晶體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生自由電子。一臺電晶體收音機只要幾節乾電池就可以半年一年地聽下去，這對電子管收音機來說，是難以做到的。

　　3、不需預熱

　　一開機就工作。例如，電晶體收音機一開就響，電晶體電視機一開就很快出現畫面。電子管設備就做不到這一點。開機後，非得等一會兒才聽得到聲音，看得到畫面。顯然，在軍事、測量、記錄等方面，電晶體是非常有優勢的。

　　4、結實可靠

　　比電子管可靠100倍，耐衝擊、耐振動，這都是電子管所無法比擬的。另外，電晶體的體積只有電子管的十分之一到百分之一，放熱很少，可用於設計小型、複雜、可靠的電路。電晶體的製造工藝雖然精密，但工序簡便，有利於提高元器件的安裝密度。

　　電晶體的開關作用

　　（一）控制大功率

　　現在的功率電晶體能控制數百千瓦的功率，使用功率電晶體作為開關有很多優點，主要是；

　　（1）容易關斷，所需要的輔助元器件少，

　　（2）開關迅速，能在很高的頻率下工作，

　　（3）可得到的器件耐壓範圍從100V到700V，應有盡有．

　　幾年前，電晶體的開關能力還小於10kW。目前，它已能控制高達數百千瓦的功率。這主要歸功於物理學家、技術人員和電路設計人員的共同努力，改進了功率電晶體的性能。如

　　（1）開關電晶體有效晶片面積的增加，

　　（2）技術上的簡化，

　　（3）電晶體的複合——達林頓，

　　（4）用於大功率開關的基極驅動技術的進步。 、

　　（二）直接工作在整流380V市電上的電晶體功率開關

　　電晶體複合（達林頓）和並聯都是有效地增加電晶體開關能力的方法。

　　在這樣的大功率電路中，存在的主要問題是布線。很高的開關速度能在很短的連接線上產生相當高的幹擾電壓。

　　（三）簡單和優化的基極驅動造就的高性能

　　今日的基極驅動電路不僅驅動功率電晶體，還保護功率電晶體，稱之為「非集中保護」 （和集中保護對照）。集成驅動電路的功能包括：

　　（1）開通和關斷功率開關；

　　（2）監控輔助電源電壓；

　　（3）限制最大和最小脈衝寬度；

　　（4）熱保護；

　　（5）監控開關的飽和壓降。

　　集成NPN電晶體概述

　　在雙極型線性集成電路中NPN電晶體的用量最多，所以它的質量對電路性能的影響最大。集成NPN電晶體的結構示意圖如圖2—69所示。它是在P型襯底上擴散高摻雜的N+型掩埋層，生長N型外延層，擴散P型基區、N+型發射區和集電區而製成的。其中N+型掩埋層的作用是為了減小集電區的體電阻。

　　縱向電晶體與橫向電晶體的原理及區別

　　（1）縱向PNP管：

　　縱向PNP管也稱襯底管，由於結構的關係，內部的載流子沿著縱向運動。這種管子的特點是，管子的基區寬度WB可以準確地控制，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採用PN結隔離槽的集成電路才能製作這種結構的管子。由於這種結構管子的載流子是沿著電晶體斷面的垂直方向運動的，故稱為縱向PNP管。這種管子的基區可準確地控制使其很薄，因此它的電流放大係數較大。由於縱向PNP管的集電極必須接到電路中電位的最低點，因而限制了它的應用。在電路中它通常作為射極跟隨器使用。

　　（2）橫向PNP管：

　　這種結構管子的載流子是沿著電晶體斷面的水平方向運動的，故稱為橫向PNP管。由於受工藝限制，基區寬度不可能很小，所以它的值相對較低，一般為十幾倍到二、三十倍。橫向PNP管的優點是：

　　發射結和集電結都有較高的反向擊穿電壓，所以它的發射結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。它的缺點是結電容較大，特徵頻率fT較低，一般為幾~幾十兆赫。

　　在集成電路設計中，往往把橫向PNP和縱向PNP管巧妙地接成複合組態，構成性能優良的放大器。如鏡像電源、微電流源、有源負載、共基—共射、共基—共集放大器等。

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