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新一代低VCEsat雙極晶體管

發(fā)布時間：2010-04-16 來源：NXP

中心議題：

  • 新型雙極性晶體管具備低VCEsat
  • 雙極性晶體管在溫度穩(wěn)定性、ESD強度和反向阻斷方面具備優(yōu)勢 


近年來，中功率雙極晶體管在飽和電阻和功率范圍上的重大突破，極大地拓寬了此類器件的應(yīng)用領(lǐng)域。恩智浦最新推出的SMD封裝中功率晶體管(BISS 4)再次顯現(xiàn)出雙極晶體管的技術(shù)優(yōu)勢，在為開關(guān)應(yīng)用帶來了開關(guān)損耗更小，效率更高的同時，也贏得了更多的市場空間。

簡介

近年來雙極晶體管復(fù)蘇勢頭強勁。一直由MOSFET器件控制的大功率開關(guān)領(lǐng)域也出現(xiàn)了變化，在消費電子和通信便攜式設(shè)備中，越來越多的充電電路和負載開關(guān)開始采用雙極晶體管。其中的主要原因是：通過提高半導(dǎo)體芯片中的電流均衡分配，雙極晶體管在降低飽和電阻方面取得了巨大成功，新器件可以獲得更為穩(wěn)定的大電流增益。雙極晶體管電流驅(qū)動的先天不足被顯著彌補，而在溫度穩(wěn)定性、ESD強度和反向阻斷方面的優(yōu)勢再次得到肯定。

通過推出BISS（突破性小信號）晶體管系列，恩智浦半導(dǎo)體取得了市場領(lǐng)導(dǎo)地位。第四代BISS晶體管（BISS 4，表１）的全新架構(gòu)是SMD中功率雙極晶體管技術(shù)發(fā)展的里程碑，有力拓寬了雙極晶體管的應(yīng)用領(lǐng)域。



相關(guān)型號縱覽：應(yīng)用于負載開關(guān)的超低VCEsat、優(yōu)化產(chǎn)品

Single transistors

 

 

 

 

 

 

Type

Package

Polarity

VCEO
(V)

IC
(A)

ICM
(A)

RCEsat typ (mΩ) @ IC;
IC/IB = 10

PBSS4021NT

SOT23

NPN

20

4.3

8

36

PBSS4021NX

SOT89
 (SC-62)

7

15

19

PBSS4021NZ

SOT223
(SC-73)

8

20

14

PBSS4021PT

SOT23

PNP

3.5

8

55

PBSS4021PX

SOT89
(SC-62)

6.2

15

23

PBSS4021PZ

SOT223
(SC-73)

6.6

20

22

PBSS4041NT

SOT23

NPN

60

3.8

8

46

PBSS4041NX

SOT89
(SC-62)

6.2

15

25

PBSS4041NZ

SOT223
(SC-73)

7

15

17.5

PBSS4041PT

SOT23

PNP

2.7

8

80

PBSS4041PX

SOT89
(SC-62)

5

15

40

PBSS4041PZ

SOT223
(SC-73)

5.7

15

29

 

 

 

 

 

 

 

Double transistors(負載開關(guān)應(yīng)用優(yōu)化)

　

　

　

　

　

　

Type

Package

Polarity

VCEO
(V)

IC
(A)

ICM
(A)

RCEsat typ (mΩ) @ IC;
IC/IB = 10

PBSS4021SN

SOT96 (SO8)

NPN/NPN

20

7.5

15

25

PBSS4021SPN

NPN/PNP

7.5/6.3

15

25/36

PBSS4021SP

PNP/PNP

6.3

15

36

PBSS4041SN

NPN/NPN

60

6.7

15

32

PBSS4041SPN

NPN/PNP

6.7/5.9

15/10

32/47

PBSS4041SP

PNP/PNP

5.9

10

47
[page]

相關(guān)型號縱覽：應(yīng)用于高速切換的低VCEsat、優(yōu)化產(chǎn)品

Single transistors

 

 

 

 

 

 

Type

Package

Polarity

VCEO
(V)

IC
(A)

ICM
(A)

RCEsat typ (mΩ) @ IC;
IC/IB = 10

PBSS4032NT

SOT23

NPN

30

2.6

5

76

PBSS4032ND

SOT457
(SC-74)

3.5

6

50

PBSS4032NX

SOT89
(SC-62)

4.7

10

45

PBSS4032NZ

SOT223
(SC-73)

4.9

10

45

PBSS4032PT

SOT23

PNP

2.4

5

110

PBSS4032PD

SOT457
(SC-74)

2.7

5

88

PBSS4032PX

SOT89
(SC-62)

4.2

10

58

PBSS4032PZ

SOT223
(SC-73)

4.4

10

58

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Double transistors

 

 

 

 

 

 

Type

Package

Polarity

VCEO
(V)

IC
(A)

ICM
(A)

RCEsat typ (mΩ) @ IC;
IC/IB = 10

PBSS4032SN

SOT96 (SO8)

NPN/NPN

30

5.7

10

45

PBSS4032SP

PNP/PNP

4.8

10

65

PBSS4032SPN

NPN/PNP

5.7/4.8

10

45/65


兩種產(chǎn)品類型——系列產(chǎn)品的架構(gòu)和技術(shù)規(guī)格

由于雙極晶體管電阻受多重因素影響，開發(fā)新型中功率雙極晶體管需要認真評估完整的晶體管架構(gòu)（選材、芯片設(shè)計、芯片金屬化、芯片/封裝連接和封裝架構(gòu)）。第四代BISS雙極晶體管系列共分兩類。

第一類是超低VCEsat雙極晶體管——旨在最大程度降低飽和電阻RCEsat。這也是此類產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計時遵循的唯一理念（芯片設(shè)計、半導(dǎo)體襯底電阻、芯片金屬化、芯片/封裝連接），其目的就是在SMD封裝結(jié)構(gòu)中獲得14 mΩ的低飽和電阻。

第二類是高速開關(guān)類雙極晶體管，除降低飽和電阻RCEsat外，此類器件還需要在快速開關(guān)和存儲時間ts（大約140 ns）方面進行改進，以滿足高頻應(yīng)用需求。此類器件需要在規(guī)定的電阻和開關(guān)時間之間獲取平衡，滿足相關(guān)設(shè)計特性的要求。

這兩類晶體管都非常重視產(chǎn)品封裝，標準SMD封裝形式包括：SOT23、SOT457/SC-74、SOT223、SOT89和SOT96/SO-8。這一理念不僅能夠滿足客戶多樣化的標準應(yīng)用需求，同時也為量產(chǎn)提供了保證。

恩智浦此次針對通信和汽車電子領(lǐng)域推出了20 - 60 V產(chǎn)品，今后還有望開發(fā)出20 - 100 V的雙極晶體管。

產(chǎn)品設(shè)計

這兩類晶體管產(chǎn)品（符合汽車應(yīng)用的AECQ-101標準）采用不同的架構(gòu)和設(shè)計方法以滿足不同的設(shè)計考量和技術(shù)規(guī)范要求。我們需要了解的是產(chǎn)品中哪些元件會對電阻和飽和電壓造成影響，影響的程度有多大，以及哪些措施會影響開關(guān)時間特性。
影響飽和電壓的主要因素是電阻電壓降以及復(fù)合和注入元件。由于復(fù)合和注入電壓總和相對輕微，因此重點需要注意電阻元件，主要包括半導(dǎo)體襯底電阻、芯片設(shè)計以及封裝和互連技術(shù)的電阻。
 
降低飽和電壓：低電阻半導(dǎo)體襯底、芯片金屬化結(jié)構(gòu)和芯片設(shè)計

通過選擇不同的低電阻襯底，比如：圖1所示的摻磷/摻砷襯底，可以有效降低半導(dǎo)體中的電壓降比例。另一個重要的影響因素是電流分配，應(yīng)在整個芯片范圍內(nèi)盡可能保持均衡，將芯片前端金屬化擴展電阻降至最低。對于BISS晶體管，芯片中的均衡電流分配通過一種稱為網(wǎng)格技術(shù)的手段來實現(xiàn)——將晶體管分成不同的格柵結(jié)構(gòu)。第四代BISS晶體管采用受專利保護的雙層金屬化布局，能夠最大程度提升發(fā)射極線路金屬厚度，降低飽和電阻（參見圖2）。

圖1


圖2
[page]
縮短開關(guān)時間：集成鉗位元件，降低擴散電容

要在降低飽和電壓的基礎(chǔ)上縮短開關(guān)時間，關(guān)鍵是最大程度降低開關(guān)操作中晶體管的擴展電容。這主要通過集成寄生的鉗位結(jié)構(gòu)（圖3）來實現(xiàn)，該設(shè)計可以避免過驅(qū)動處于飽和狀態(tài)的晶體管，能夠有效降低晶體管的存儲時間ts。

圖3

典型應(yīng)用

低VCEsat晶體管兼具雙極晶體管的優(yōu)勢和低RCEsat值，主要滿足常規(guī)開關(guān)應(yīng)用（與典型的RDSon MOSFET器件有所不同），包括驅(qū)動電壓較小的電池驅(qū)動設(shè)備用負載開關(guān)（圖4）。由于實際應(yīng)用中反向電流阻斷和高能效具有決定性意義，因此雙極晶體管比MOSFET更有優(yōu)勢。低VCEsat晶體管常常作為充電晶體管使用，比如：手機的電源管理單元。


圖4

另外，筆記本電腦中使用低VCEsat晶體管，可以降低風(fēng)扇或接口電源負載開關(guān)的損失，延長電池使用時間。

除了具有低VCEsat特點外，針對開關(guān)時間優(yōu)化的雙極晶體管完全滿足高頻開關(guān)應(yīng)用(50 - 200 kHz)要求，典型應(yīng)用包括PWM和開關(guān)式電源。其中，使用冷陰極熒光燈(CCFL)的背光顯示器就屬于開關(guān)式電源應(yīng)用。不同的電源規(guī)格需要有相應(yīng)的功率等級與之匹配，恩智浦各種類型的SMD封裝器件為用戶提供了最好的選擇。

市場前景

低VCEsat晶體管的問世為雙極晶體管開拓了應(yīng)用更加廣泛的市場空間，特別是為便攜式設(shè)備的負載開關(guān)應(yīng)用帶來了高效解決方案。為滿足該行業(yè)中高端設(shè)備需求，未來有望推出無引線封裝產(chǎn)品，進一步降低器件高度，縮小板載空間占用。低VCEsat雙極晶體管的未來發(fā)展非常值得期待。
 

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