S. Habenicht D. Oelgeschläger B. Scheffler NXP半導體

近年來，雙極晶體管" title="雙極晶體管">雙極晶體管發(fā)展勢頭強勁。過去，大功率開關應用主要依靠MOSFET;現在，越來越多的應用領域(例如，消費電子和通信領域的便攜式設備的充電電路和負載開關)正日益采用雙極晶體管。其中的主要原因是：通過提高半導體芯片中的電流均衡分布水平，人們可以降低飽和電阻，從而生產出電流增益又高又穩(wěn)的器件。雙極晶體管的先天不足——電流驅動問題至少可以得到充分緩解，而它在溫度穩(wěn)定性、ESD強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)半導體取得了市場領導地位。第四代BISS晶體管(BISS 4，表1)的全新架構是SMD封裝型中功率雙極晶體管發(fā)展的里程碑，它有助于將該類產品的應用拓展至一個更加誘人的領域。



兩種產品類別——系列產品的架構和技術規(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真檢查完整的晶體管架構" title="晶體管架構">晶體管架構(選材、芯片設計、芯片金屬化、芯片/封裝連接、封裝架構)。BISS 4產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。這也是此類產品架構(芯片設計、半導體襯底電阻、芯片金屬化、芯片/封裝連接)設計時遵循的唯一理念，其目的是在SMD封裝結構中獲得低至14 mΩ的飽和電阻。

第二類是高速開關類雙極晶體管，除了降低飽和電阻RCEsat外，此類器件還需要在快速開關和存儲時間ts(大約140 ns)方面進行改進，以滿足高頻應用需求。此類器件需要在規(guī)定的電阻和開關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準SMD(SOT23、SOT457/SC-74、SOT223、SOT89和SOT96/SO-8)作為產品封裝架構。這一理念不僅能夠滿足客戶多樣化的標準應用需求，同時也為量產提供了保證。

恩智浦首先針對通信和汽車電子領域的應用推出了20～60 V的產品，今后電壓范圍還會進一步擴大到20～100 V。這兩類晶體管產品(符合汽車應用的AECQ-101標準)采用不同的架構和設計方法來實現各自的技術規(guī)格，并且在器件的設計中設置了不同的優(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，影響它的因素主要包括半導體襯底電阻、芯片設計以及封裝和互連技術。



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，它應在整個芯片范圍內盡可能保持均衡，并且將芯片前端金屬化的擴展電阻降至最低。對于BISS晶體管，芯片中的電流均衡分布通過一種稱為網格設計(將晶體管分成不同的柵格結構)的方法來實現。BISS 4晶體管采用受專利保護的雙層金屬化布局，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上縮短開關時間，關鍵是盡量降低開關操作中的晶體管擴散電容。這主要通過集成的寄生鉗位結構(圖3)來實現，該設計可以避免過度驅動飽和狀態(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)開關應用。這些應用包括驅動電壓較小的電池供電設備中的負載開關(圖4)。由于實際應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等產品的電源管理單元(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，可以降低風扇或接口電源負載開關的損耗，延長電池使用時間。

降低飽和電壓：低電阻半導體襯底、芯片金屬化結構和芯片設計



除了具有低VCEsat特點外，針對開關時間優(yōu)化的雙極晶體管完全滿足高頻(50 - 200 kHz)開關應用要求，典型應用包括PWM或開關式電源。其中，使用冷陰極熒光燈(CCFL)的顯示器背光就屬于開關式電源應用。不同的電源規(guī)格需要有相應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，特別是為便攜式設備的負載和開關應用帶來了高效解決方案。為滿足該行業(yè)中新式設備的需求，恩智浦未來有望推出無鉛封裝產品，進一步降低器件高度，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。