S. Habenicht D. Oelgeschläger B. Scheffler NXP半導(dǎo)體

近年來，雙極晶體管" title="雙極晶體管">雙極晶體管發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。過去，大功率開關(guān)應(yīng)用主要依靠MOSFET;現(xiàn)在，越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域(例如，消費(fèi)電子和通信領(lǐng)域的便攜式設(shè)備的充電電路和負(fù)載開關(guān))正日益采用雙極晶體管。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布水平，人們可以降低飽和電阻，從而生產(chǎn)出電流增益又高又穩(wěn)的器件。雙極晶體管的先天不足——電流驅(qū)動問題至少可以得到充分緩解，而它在溫度穩(wěn)定性、ESD強(qiáng)度和反向阻斷方面的優(yōu)勢可以再次得到發(fā)揮。

通過推出突破性小信號(BISS" title="BISS">BISS)晶體管系列，恩智浦(NXP)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封裝型中功率雙極晶體管發(fā)展的里程碑，它有助于將該類產(chǎn)品的應(yīng)用拓展至一個更加誘人的領(lǐng)域。



兩種產(chǎn)品類別——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，因此開發(fā)新型中功率雙極晶體管需要認(rèn)真檢查完整的晶體管架構(gòu)" title="晶體管架構(gòu)">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、封裝架構(gòu))。BISS 4產(chǎn)品系列共有兩種不同的類別。

第一類是超低VCEsat雙極晶體管——旨在盡量降低飽和電阻RCEsat。這也是此類產(chǎn)品架構(gòu)(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)設(shè)計(jì)時遵循的唯一理念，其目的是在SMD封裝結(jié)構(gòu)中獲得低至14 mΩ的飽和電阻。

第二類是高速開關(guān)類雙極晶體管，除了降低飽和電阻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(jìn)行改進(jìn)，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)時間之間取得平衡并確定優(yōu)先級。

這兩類晶體管都非常重視以標(biāo)準(zhǔn)SMD(SOT23、SOT457/SC-74、SOT223、SOT89和SOT96/SO-8)作為產(chǎn)品封裝架構(gòu)。這一理念不僅能夠滿足客戶多樣化的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用需求，同時也為量產(chǎn)提供了保證。

恩智浦首先針對通信和汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用推出了20～60 V的產(chǎn)品，今后電壓范圍還會進(jìn)一步擴(kuò)大到20～100 V。這兩類晶體管產(chǎn)品(符合汽車應(yīng)用的AECQ-101標(biāo)準(zhǔn))采用不同的架構(gòu)和設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)各自的技術(shù)規(guī)格，并且在器件的設(shè)計(jì)中設(shè)置了不同的優(yōu)先級。在此一個非常重要的問題是，我們需要了解產(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，影響的到底是哪一部分特性。

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(diǎn)需要注意電阻元件，影響它的因素主要包括半導(dǎo)體襯底電阻、芯片設(shè)計(jì)以及封裝和互連技術(shù)。



通過選擇不同的低電阻襯底，例如圖1所示的摻磷或摻砷襯底，可以大幅降低壓降中半導(dǎo)體部分引起的壓降所占的比例。另一個重要的影響因素是電流分布，它應(yīng)在整個芯片范圍內(nèi)盡可能保持均衡，并且將芯片前端金屬化的擴(kuò)展電阻降至最低。對于BISS晶體管，芯片中的電流均衡分布通過一種稱為網(wǎng)格設(shè)計(jì)(將晶體管分成不同的柵格結(jié)構(gòu))的方法來實(shí)現(xiàn)。BISS 4晶體管采用受專利保護(hù)的雙層金屬化布局，能夠盡量提升發(fā)射極線路金屬厚度，從而將飽和電阻降至最低(參見圖2)。

縮短開關(guān)時間：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)上縮短開關(guān)時間，關(guān)鍵是盡量降低開關(guān)操作中的晶體管擴(kuò)散電容。這主要通過集成的寄生鉗位結(jié)構(gòu)(圖3)來實(shí)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)可以避免過度驅(qū)動飽和狀態(tài)下的晶體管并有效降低晶體管的存儲時間ts。

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(可與典型MOSFET的RDSon媲美)，主要滿足常規(guī)開關(guān)應(yīng)用。這些應(yīng)用包括驅(qū)動電壓較小的電池供電設(shè)備中的負(fù)載開關(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。例如低VCEsat晶體管通常作為手機(jī)等產(chǎn)品的電源管理單元(PMU)中的電荷存儲晶體管使用。

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)載開關(guān)的損耗，延長電池使用時間。

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)



除了具有低VCEsat特點(diǎn)外，針對開關(guān)時間優(yōu)化的雙極晶體管完全滿足高頻(50 - 200 kHz)開關(guān)應(yīng)用要求，典型應(yīng)用包括PWM或開關(guān)式電源。其中，使用冷陰極熒光燈(CCFL)的顯示器背光就屬于開關(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廣泛的市場空間，特別是為便攜式設(shè)備的負(fù)載和開關(guān)應(yīng)用帶來了高效解決方案。為滿足該行業(yè)中新式設(shè)備的需求，恩智浦未來有望推出無鉛封裝產(chǎn)品，進(jìn)一步降低器件高度，縮小板載空間。低VCEsat雙極晶體管的未來發(fā)展非常值得期待。