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(qiáng)度和反向阻斷方面具備優(yōu)勢(shì)
近年來(lái),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(lèi)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(shì),在為開(kāi)關(guān)應(yīng)用帶來(lái)了開(kāi)關(guān)損耗更小,效率更高的同時(shí),也贏得了更多的市場(chǎng)空間。
簡(jiǎn)介
近年來(lái)雙極晶體管復(fù)蘇勢(shì)頭強(qiáng)勁。一直由MOSFET器件控制的大功率開(kāi)關(guān)領(lǐng)域也出現(xiàn)了變化,在消費(fèi)電子和通信便攜式設(shè)備中,越來(lái)越多的充電電路和負(fù)載開(kāi)關(guān)開(kāi)始采用雙極晶體管。其中的主要原因是:通過(guò)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(dòng)的先天不足被顯著彌補(bǔ),而在溫度穩(wěn)定性、ESD強(qiáng)度和反向阻斷方面的優(yōu)勢(shì)再次得到肯定。
通過(guò)推出BISS(突破性小信號(hào))晶體管系列,恩智浦半導(dǎo)體取得了市場(chǎng)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。
Single transistors Type Package Polarity VCEO IC ICM RCEsat typ (mΩ) @ IC; PBSS4021NT SOT23 NPN 20 4.3 8 36 PBSS4021NX SOT89 7 15 19 PBSS4021NZ SOT223 8 20 14 PBSS SOT23 PNP 3.5 8 55 PBSS4021PX SOT89 6.2 15 23 PBSS4021PZ SOT223 6.6 20 22 PBSS4041NT SOT23 NPN 60 3.8 8 46 PBSS4041NX SOT89 6.2 15 25 PBSS4041NZ SOT223 7 15 17.5 PBSS SOT23 PNP 2.7 8 80 PBSS4041PX SOT89 5 15 40 PBSS4041PZ SOT223 5.7 15 29 Double transistors(負(fù)載開(kāi)關(guān)應(yīng)用優(yōu)化) Type Package Polarity VCEO IC ICM RCEsat typ (mΩ) @ IC; 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
相關(guān)型號(hào)縱覽:應(yīng)用于負(fù)載開(kāi)關(guān)的超低VCEsat、優(yōu)化產(chǎn)品
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(V)
(A)
(A)
IC/IB = 10
(SC-62)
(SC-73)
(SC-62)
(SC-73)
(SC-62)
(SC-73)
(SC-62)
(SC-73)
(V)
(A)
(A)
IC/IB = 10
相關(guān)型號(hào)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 IC ICM RCEsat typ (mΩ) @ IC; PBSS4032NT SOT23 NPN 30 2.6 5 76 PBSS4032ND SOT457 3.5 6 50 PBSS4032NX SOT89 4.7 10 45 PBSS4032NZ SOT223 4.9 10 45 PBSS SOT23 PNP 2.4 5 110 PBSS4032PD SOT457 2.7 5 88 PBSS4032PX SOT89 4.2 10 58 PBSS4032PZ SOT223 4.4 10 58 Double transistors Type Package Polarity VCEO IC ICM RCEsat typ (mΩ) @ IC; 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
(V)
(A)
(A)
IC/IB = 10
(SC-74)
(SC-62)
(SC-73)
(SC-74)
(SC-62)
(SC-73)
(V)
(A)
(A)
IC/IB = 10
兩種產(chǎn)品類(lèi)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(kāi)發(fā)新型中功率雙極晶體管需要認(rèn)真評(píng)估完整的晶體管架構(gòu)(選材、芯片設(shè)計(jì)、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(lèi)。
第一類(lèi)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(lèi)產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)遵循的唯一理念(芯片設(shè)計(jì)、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(lèi)是高速開(kāi)關(guān)類(lèi)雙極晶體管,除降低飽和電阻RCEsat外,此類(lèi)器件還需要在快速開(kāi)關(guān)和存儲(chǔ)時(shí)間ts(大約140 ns)方面進(jìn)行改進(jìn),以滿(mǎn)足高頻應(yīng)用需求。此類(lèi)器件需要在規(guī)定的電阻和開(kāi)關(guān)時(shí)間之間獲取平衡,滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)計(jì)特性的要求。
這兩類(lèi)晶體管都非常重視產(chǎn)品封裝,標(biāo)準(zhǔn)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(mǎn)足客戶(hù)多樣化的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用需求,同時(shí)也為量產(chǎn)提供了保證。
恩智浦此次針對(duì)通信和汽車(chē)電子領(lǐng)域推出了20 - 60 V產(chǎn)品,今后還有望開(kāi)發(fā)出20 - 100 V的雙極晶體管。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)
這兩類(lèi)晶體管產(chǎn)品(符合汽車(chē)應(yīng)用的AECQ-101標(biāo)準(zhǔn))采用不同的架構(gòu)和設(shè)計(jì)方法以滿(mǎn)足不同的設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)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(huì)影響開(kāi)關(guān)時(shí)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(duì)輕微,因此重點(diǎn)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(jì)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(jì)
通過(guò)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(gè)重要的影響因素是電流分配,應(yīng)在整個(gè)芯片范圍內(nèi)盡可能保持均衡,將芯片前端金屬化擴(kuò)展電阻降至最低。對(duì)于BISS晶體管,芯片中的均衡電流分配通過(guò)一種稱(chēng)為網(wǎng)格技術(shù)的手段來(lái)實(shí)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(zhuān)利保護(hù)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(jiàn)圖2)。
圖1
圖2
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縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間:集成鉗位元件,降低擴(kuò)散電容
要在降低飽和電壓的基礎(chǔ)上縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間,關(guān)鍵是最大程度降低開(kāi)關(guān)操作中晶體管的擴(kuò)展電容。這主要通過(guò)集成寄生的鉗位結(jié)構(gòu)(圖3)來(lái)實(shí)現(xiàn),該設(shè)計(jì)可以避免過(guò)驅(qū)動(dòng)處于飽和狀態(tài)的晶體管,能夠有效降低晶體管的存儲(chǔ)時(shí)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(shì)和低RCEsat值,主要滿(mǎn)足常規(guī)開(kāi)關(guān)應(yīng)用(與典型的RDSon MOSFET器件有所不同),包括驅(qū)動(dòng)電壓較小的電池驅(qū)動(dòng)設(shè)備用負(fù)載開(kāi)關(guān)(圖4)。由于實(shí)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(shì)。低VCEsat晶體管常常作為充電晶體管使用,比如:手機(jī)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(fù)載開(kāi)關(guān)的損失,延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。
除了具有低VCEsat特點(diǎn)外,針對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間優(yōu)化的雙極晶體管完全滿(mǎn)足高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用(50 - 200 kHz)要求,典型應(yīng)用包括PWM和開(kāi)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(kāi)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(jí)與之匹配,恩智浦各種類(lèi)型的SMD封裝器件為用戶(hù)提供了最好的選擇。
市場(chǎng)前景
低VCEsat晶體管的問(wèn)世為雙極晶體管開(kāi)拓了應(yīng)用更加廣泛的市場(chǎng)空間,特別是為便攜式設(shè)備的負(fù)載開(kāi)關(guān)應(yīng)用帶來(lái)了高效解決方案。為滿(mǎn)足該行業(yè)中高端設(shè)備需求,未來(lái)有望推出無(wú)引線封裝產(chǎn)品,進(jìn)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(lái)發(fā)展非常值得期待。