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

近年來(lái)，雙極晶體管" title="雙極晶體管">雙極晶體管發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁,。過(guò)去,，大功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用主要依靠MOSFET;現(xiàn)在,，越來(lái)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(kāi)關(guān))正日益采用雙極晶體管,。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(dòng)問(wèn)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(shì)可以再次得到發(fā)揮,。

通過(guò)推出突破性小信號(hào)(BISS" title="BISS">BISS)晶體管系列,，恩智浦(NXP)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(gè)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(kāi)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(shí)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(kāi)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(kāi)關(guān)和存儲(chǔ)時(shí)間ts(大約140 ns)方面進(jìn)行改進(jìn),，以滿足高頻應(yīng)用需求,。此類器件需要在規(guī)定的電阻和開(kāi)關(guān)時(shí)間之間取得平衡并確定優(yōu)先級(jí)。

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(shí)也為量產(chǎn)提供了保證,。

恩智浦首先針對(duì)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(huì)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(lái)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(jí)。在此一個(gè)非常重要的問(wèn)題是,，我們需要了解產(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(duì)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(guò)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(gè)重要的影響因素是電流分布,，它應(yīng)在整個(gè)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(duì)于BISS晶體管,，芯片中的電流均衡分布通過(guò)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(lái)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(jiàn)圖2),。

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)鍵是盡量降低開(kāi)關(guān)操作中的晶體管擴(kuò)散電容,。這主要通過(guò)集成的寄生鉗位結(jié)構(gòu)(圖3)來(lái)實(shí)現(xiàn),，該設(shè)計(jì)可以避免過(guò)度驅(qū)動(dòng)飽和狀態(tài)下的晶體管并有效降低晶體管的存儲(chǔ)時(shí)間ts。

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(可與典型MOSFET的RDSon媲美),，主要滿足常規(guī)開(kāi)關(guān)應(yīng)用,。這些應(yīng)用包括驅(qū)動(dòng)電壓較小的電池供電設(shè)備中的負(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),。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(chǔ)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(kāi)關(guān)的損耗,，延長(zhǎng)電池使用時(shí)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(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間優(yōu)化的雙極晶體管完全滿足高頻(50 - 200 kHz)開(kāi)關(guān)應(yīng)用要求，典型應(yīng)用包括PWM或開(kāi)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(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,，恩智浦各種類型的SMD封裝器件為用戶提供了最好的選擇,。

市場(chǎng)前景

低VCEsat晶體管的問(wèn)世為雙極晶體管開(kāi)拓了廣泛的市場(chǎng)空間，特別是為便攜式設(shè)備的負(fù)載和開(kāi)關(guān)應(yīng)用帶來(lái)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(lái)有望推出無(wú)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(lái)發(fā)展非常值得期待。