多发射极晶体管和多集电极晶体管

转载自：http://blog.163.com/xmx028@126/blog/static/13164607120121473132675/

在单片集成电路中有时会用到多发射极晶体管和多集电极晶体管。多发射极晶体管主要是用在TTL数字集成电路中，多集电极晶体管主要是用在I2L数字集成电路中。

（1）多发射极晶体管：

多发射极晶体管就是把多个发射结做在同一个发射区中的晶体管，实际上也就是多个晶体管并联在一起、但共用一个基区和一个集电区的一种复合晶体管，其结构如图1（a）所示。

多发射极晶体管除了能够提高集成电路的集成度以外，同时还具有其特殊的应用特性。它主要是用于TTL与非（NAND）逻辑IC中，可以提高IC的工作速度。

图1（b）是最简单的、功能性的TTL与非门电路，其中输入端是T1晶体管的多个发射极（e1A, e1B, e1C, e1D,），输出端是T2晶体管的集电极c2，电源EC对T1的集电结提供正偏、对T2的集电结提供反偏。该TTL电路的工作原理是：当所有输入端都是高电位（高电平）时，T1晶体管的发射结反偏，但由于T1的集电结正偏，则电源EC通过电阻R1和T1的集电结而向T2晶体管基极供给一股正向基极电流，使得T2饱和导通，于是输出低电平（这时T1的基极电位Vb1约为1.4伏，是T1的集电结正向压降与T2的发射结正向压降之和）；当输入端中只要有一个电极处于低电位（低电平）时，则T1的发射结正偏，T1即处于饱和导通状态（T1的两个pn结都正偏），这就使得流过电阻R1的基极电流通过发射结（不再通过T1的集电结），同时T1的基极电位被箝制在0.7伏左右，于是T2的基极电位必将低于0.7伏，从而T2晶体管截止，输出高电平。

多发射极晶体管T1能够提高TTL电路工作速度的主要原因，就在于它具有较强抽取T2基区中少子存储电荷的作用。因为T2晶体管在饱和导通、输出低电平时，基区中存在有大量的少子电荷，所以当它转变为截止状态、输出高电平时，就需要一个少子电荷消失的过程——晶体管关断的下降时间过程；则当TTL电路的输入端电位由高电平改变为低电平的瞬间，T1即处于饱和导通状态（T1有从集电极流向发射极的电流），但T2晶体管这时因基区少子电荷尚未完全消失而仍将处于饱和状态，则T2的发射结也仍然是导通的，于是T1的集电极电流就成为了T2的反向基极电流，正是该反向基极电流就使得T2基区中少子存储电荷很快地被“抽出”，从而加速了T2晶体管脱离饱和而趋向截止的过程。否则，如果输入端不是多发射极晶体管、而是多个二极管的话（即为DTL与非门电路），那么在T2晶体管关断的瞬间，就不存在这种抽出基区少子电荷的作用，则电路的工作速度必将较低。

总之，多发射极晶体管的采用，可以使TTL与非门电路的工作速度得以大大提高（开关延迟时间可缩短到50mms以下），实际上这也就是TTL与非门电路之所以能够成为一种典型高速门电路的重要原因。 

 

（2）多集电极晶体管：

多集电极晶体管实际上也就是多个晶体管并联构成的一种复合晶体管，但共用一个发射区和一个基区，具有紧凑的集成结构。

多集电极晶体管在集成注入逻辑（I2L）反相器芯片中的应用和结构，如图2所示。该基本反相器单元是由一个横向pnp晶体管（T1）和一个纵向的多集电极npn晶体管（T2）构成；其中的多集电极晶体管T2的结构是倒置的形式，各个集电极都在芯片表面上（各个n+区），有一个p型基区和一个n型发射区，发射极也就是芯片内部的高掺杂n+埋层。该多集电极晶体管提供了多个输出端头。

电路的正电源电压E加在T1的发射极上，使发射结正偏。当输入端（T1的集电极）加上高电平时，T1的集电结正偏，则T1就饱和导通，即有电流从T1的发射极注入、并流向集电极；此T1的集电极电流也就是T2的基极电流，于是就使得T2也随之饱和导通，结果输出低电平，从而实现了反相器的逻辑功能。

这种I2L逻辑电路结构的重要优点是：芯片中没有电阻，在T2的各个集电极与发射极之间也不需要进行隔离，而且结构紧凑、布局容易，因此它的集成度可以做得很高；同时在制作工艺上也与双极晶体管工艺兼容。此外，T2的多个集电结还都可以采用Schottky二极管来代替，以进一步改善电路的工作速度。I2L反相器正是由于这种优良的结构和性能而被广泛地应用于逻辑IC和存储器中。