縱向晶體管及橫向晶體管的原理與區別

晶體管（transistor）是一種固體半導體器件，具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開關，能夠基于輸入電壓控制輸出電流。與普通機械開關（如Relay、switch）不同，晶體管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。

晶體管主要分為兩大類：雙極性晶體管（BJT）和場效應晶體管（FET）。

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

晶體管因為有三種極性，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）。

晶體管的優越性

同電子管相比，晶體管具有諸多優越性：

1、構件沒有消耗

無論多么優良的電子管，都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。由于技術上的原因，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生自由電子。一臺晶體管收音機只要幾節干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，晶體管收音機一開就響，晶體管電視機一開就很快出現畫面。電子管設備就做不到這一點。開機后，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，晶體管是非常有優勢的。

4、結實可靠

比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動，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，可用于設計小型、復雜、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。

晶體管的開關作用

（一）控制大功率

現在的功率晶體管能控制數百千瓦的功率，使用功率晶體管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）可得到的器件耐壓范圍從100V到700V，應有盡有。

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

（1）開關晶體管有效芯片面積的增加，

（2）技術上的簡化，

（3）晶體管的復合——達林頓，

（4）用于大功率開關的基極驅動技術的進步。 、

（二）直接工作在整流380V市電上的晶體管功率開關

晶體管復合（達林頓）和并聯都是有效地增加晶體管開關能力的方法。

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干擾電壓。

（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晶體管，還保護功率晶體管，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）限制最大和最小脈沖寬度；

（4）熱保護；

（5）監控開關的飽和壓降。

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，所以它的質量對電路性能的影響最大。集成NPN晶體管的結構示意圖如圖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制成的。其中N+型掩埋層的作用是為了減小集電區的體電阻。

縱向晶體管與橫向晶體管的原理及區別

（1）縱向PNP管：

縱向PNP管也稱襯底管，由于結構的關系，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采用PN結隔離槽的集成電路才能制作這種結構的管子。由于這種結構管子的載流子是沿著晶體管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，因此它的電流放大系數較大。由于縱向PNP管的集電極必須接到電路中電位的最低點，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晶體管斷面的水平方向運動的，故稱為橫向PNP管。由于受工藝限制，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，特征頻率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管巧妙地接成復合組態，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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