一文看懂纵向晶体管与横向晶体管的原理及区别

电子魔法师 发表于 2018-05-17 17:35:17 收藏 已收藏
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一文看懂纵向晶体管与横向晶体管的原理及区别

电子魔法师 发表于 2018-05-17 17:35:17

  晶体管简介

  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)。

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  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。

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  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。

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  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。

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  (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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