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，恩智浦半導體取得了市場領(lǐng)導地位。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(負載開關(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)型號縱覽：應(yīng)用于負載開關(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合和注入元件。由于復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
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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。
