双极晶体管和肖特基二极管改进技术

飞利浦半导体 Thomas Bluhm

---设计进步及封装技术的改进使开发优化的分立半导体器件成为可能,例如低饱和电压晶体管及超低正向压降肖特基整流二极管。此类新器件可满足当今电子产品在散热、效率、空间占用和成本方面的高要求,对于便携式电池供电设备（如笔记本电脑、数码相机）及汽车中的负载切换和电源系统,此类新器件是首选的解决方案。 ---集电极功耗PC=VCEsat×IC是双极晶体管损耗的重要来源。由于集电极电流IC是由应用预先确定的,因此,器件生产商要想降低晶体管损耗惟一的选择是降低集电极-发射极饱和电压VCEsat。低VCEsat晶体管的出现主要归功于网状结构发射极技术的应用。  --网状结构发射极（mesh-emitter）设计将发射极区域扩展到更大面积的区域,同时使其以网状结构与基极接触,因此可降低发射极串联电阻。这样做的结果是基极驱动更为平均,从而可更有效地利用裸片上的发射极有源区域,并进而大大降低集电极-发射极饱和电压（如图1所示）。 ---在相应的封装所允许的限制内尽量增大裸片面积可以进一步降低器件的损耗。图2说明开发并应用新的引线框架和6引脚封装（如SOT457）还可改善器件的散热情况。 与中功率晶体管性能相当 ---由于晶体管的总成本受封装成本的影响很大,因此,采用SOT23封装的晶体管要比采用较大的SOT223封装的晶体管的成本低得多。 ---对于传统晶体管设计,通常是所需要的集电极电流限制了裸片尺寸,从而限制了进一步小型化的努力。例如,采用传统设计,集电极电流>0.5A的晶体管无法采用SOT23封装。另一方面,如果采用网状结构发射极技术,现在已经可以在SOT23封装中提供集电极电流大于2A的晶体管。因此,网状发射极晶体管（SOT23）可以用来代替更大的SOT223封装晶体管,并且提供相当、甚至更好的特性。BISS晶体管PBSS4350T和PBSS4320T以及中功率晶体管BDP31。  ---三种晶体管的集电极-发射极饱和电压曲线如图3。在集电极电流为1A时,网状发射极晶体管的饱和电压要比传统晶体管低约40%～50%,而驱动电流仅为50mA（IC/IB=20）,比100mA（IC/IB=10）也低得多。与SOT223封装晶体管相比,SOT23晶体管需要的电路板空间少20%。安装在陶瓷衬底上,SOT23封装晶体管的功耗甚至可提高到625mW。因此适合替代最大功耗600mW（集电极散热器面积1cm2）的6引脚晶体管（如SOT457）。 ---简单的负载切换（低端开关）应用实例可以很好地体现出更高的效率、更低的温升以及更高的可用输出电压等优点。供电电压VCC为3.3V,负载电流VLoad=IC=2A。我们对比了采用SOT223封装的传统中功率晶体管BDP31和采用SOT23封装的网状结构发射极晶体管PBSS4320T。 ---温升△T可以利用总功耗Ptot和温阻Rth计算。计算结果对BDP31为128K,对BISS晶体管PBSS4320T为109K（安装在1cm2的集电极焊盘上）。 ---对于许多应用,可用输出电压VLoad应当尽可能接近供电电压（即电压差应当尽可能小）。VLoad等于供电电压VCC和集电极-发射极饱和电压VCEsat的差,对于BDP31为2.6V,与此相比,网状结构发射极晶体管PBSS4320T为3.1V。 ---效率η等于负载功率PLoad和供电功率PSupply的比值。 ---利用标准晶体管BDP31只能获得79%的电路效率,而利用网状结构发射极晶体管PBSS4320T,电路效率可提高到94%。 ---总而言之,采用SOT23 BISS晶体管来代替较大的SOT223封装标准中功率晶体管,电路效率可大大提高,可用负载电压提高,更接近电源满幅电压,而温升也会更低。 低损耗肖特基整流二极管器件尺寸更小  ---对于二极管来说,正向功耗PF=IF×VF对总体功耗的贡献最大。由于二极管电流IF是由应用预先决定的,因此二极管生产商要想降低功耗只能想办法降低正向压降（VF）。对于肖特基整流二极管,正向压降VF取决于使用的金属势垒层及有源区域。 ---通过增大有源面积来降低正向压降VF与器件小型化要求相冲突,同时这样还会提高二极管电容CD,从而增大电路损耗。同时还需要考虑的是,当正向电压降低时,反向电流IR会变大。在开发称为MEGA的肖特基整流二极管时,飞利浦公司仔细地选择了势垒层,要么使正向电压最小,要么在尽管保持低正向压降的情况下使反向电流最小。此外,减小裸片尺寸可以将此类整流二极管封装到先进的超小型小信号封装（如SOD323T）中。 ---为了进一步降低正向电压,必须减小硅裸片的厚度,同时裸片面积和引线框架面积的比例也必须进行优化。 封装更小,性能不变  ---目前主导0.5A和3A电流肖特基整流二极管市场的仍然是采用SMA、SMB和SOD123等大封装的器件。然而,对于负载点直流变换器等应用来说,它们大得有点不成比例。现在,MEGA技术使得能够为0.5A～2A的应用开发出采用较小封装（SOD323F）的整流二极管。 ---比较广泛应用的SS12或SS14二极管与新的MEGA肖特基整流二极管PMEG1020EJ和PMEG2010EJ,对于PMEG2010EJ,采用更小的SOD323F封装时正向压降与采用SMA封装的二极管类似;对于PMEG1020EJ,采用更小封装时正向压降比采用SMA封装的二极管大大降低。由于公布的反向电流数值采用了不同的反向电压,因此对于反向电流的比较受到一定的限制,但粗略的对比对于提供一个数量级的概念已经足够了。 ---图4给出了典型的正向压降特性。PMEG2010EJ整流二极管的正向压降VF与SS12和SS14整流二极管的正向压降类似。如果应用需要比MEGA肖特基整流二极管PMEG1020EJ更低的正向压降,那么就不得不以牺牲反向电流为代价。这对于负载周期相对高的应用可能比较适用。 ---有些应用,如电池充电器,为了防止充电器没有连接到电源时电池通过充电器放电,要求整流二极管的反向电流尽可能低。同时,充电模式时的损耗应当尽可能低。因此在开发PMEG6010AED整流二极管时,就考虑了保持低正向电压的同时尽量降低反向电流。尽管这一个二极管采用较小的SOT457封装,其正向压降和反向电流都与采用SMA封装的SS12和SS14二极管差不多。图5是SOD323F封装的安装面积图。 ---而SOD323F的安装面积图只有SMA封装面积的20%。 ---以电池供电设备中使用的反向电压保护二极管为例,我们可以比较一下MEGA肖特基整流二极管（PMEG1020EJ和PMEG2010EJ）与SS12或SS14型标准肖特基二极管的温升、压降和效率等特性。本例中,假设电池电压为3V,设备电流假设为1A。 ---通过将正向功耗PF与热阻Rth j-s相乘可以计算出内部温升△T。计算出的温升数值对SS12为约17K,对于PMEG1020EJ为19K,对于PMEG2010EJ为30K。  ---虽然PMEG1020EJ采用了更小的封装,但其温升与采用更大封装的SMA二极管差不多,这主要是因为其正向压降较低。PMEG2010EJ温升相对较高,这主要是由于正向压降较高,以及更小的封装热阻更大,但其温升仍然可以接受。 ---为尽量利用满幅电池电压,反向保护二极管的电压降应当尽可能低。当使用PMEG020EJ二极管时,电路可用电压为2.65V,而使用S12或PMEG2010EJ时,电路可用电压约为2.5V。通过工作电压VB和电池电压VBatt的比值可以计算出效率,对于PMEG1020EJ为88%,与此相比,SS12和PMEG2010EJ约为82%。 ---MEGA肖特基整流二极管达到甚至超过大多数采用更大封装的整流二极管的性能。损耗更小,器件效率更高,采用更小的封装可使设计更紧凑,因此用户可大大受益。 ---采用创新的技术可大大降低双极晶体管和肖特基整流二极管的产品成本并大大减小封装尺寸。选择低VCEsat（BISS）晶体管和低VF（MEGA）肖特基整流二极管,许多应用都可从效率的提升中获益。