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，而它在溫度穩定性、ESD強度和反向阻斷方面的優勢可以再次得到發揮。

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格

由于雙極晶體管電阻受多重因素影響，因此開發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。此類器件需要在規定的電阻和開關時間之間取得平衡并確定優先級。

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格，并且在器件的設計中設置了不同的優先級。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勢和低RCEsat值(可與典型MOSFET的RDSon媲美)，主要滿足常規開關應用。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展非常值得期待。