S. Habenicht D. Oelgeschläger B. Scheffler NXP半导体

近年来，双极晶体管" title="双极晶体管">双极晶体管发展势头强劲。过去，大功率开关应用主要依靠MOSFET;现在，越来越多的应用领域(例如，消费电子和通信领域的便携式设备的充电电路和负载开关)正日益采用双极晶体管。其中的主要原因是：通过提高半导体芯片中的电流均衡分布水平，人们可以降低饱和电阻，从而生产出电流增益又高又稳的器件。双极晶体管的先天不足——电流驱动问题至少可以得到充分缓解，而它在温度稳定性、ESD强度和反向阻断方面的优势可以再次得到发挥。

通过推出突破性小信号(BISS" title="BISS">BISS)晶体管系列，恩智浦(NXP)半导体取得了市场领导地位。第四代BISS晶体管(BISS 4，表1)的全新架构是SMD封装型中功率双极晶体管发展的里程碑，它有助于将该类产品的应用拓展至一个更加诱人的领域。



两种产品类别——系列产品的架构和技术规格

由于双极晶体管电阻受多重因素影响，因此开发新型中功率双极晶体管需要认真检查完整的晶体管架构" title="晶体管架构">晶体管架构(选材、芯片设计、芯片金属化、芯片/封装连接、封装架构)。BISS 4产品系列共有两种不同的类别。

第一类是超低VCEsat双极晶体管——旨在尽量降低饱和电阻RCEsat。这也是此类产品架构(芯片设计、半导体衬底电阻、芯片金属化、芯片/封装连接)设计时遵循的唯一理念，其目的是在SMD封装结构中获得低至14 mΩ的饱和电阻。

第二类是高速开关类双极晶体管，除了降低饱和电阻RCEsat外，此类器件还需要在快速开关和存储时间ts(大约140 ns)方面进行改进，以满足高频应用需求。此类器件需要在规定的电阻和开关时间之间取得平衡并确定优先级。

这两类晶体管都非常重视以标准SMD(SOT23、SOT457/SC-74、SOT223、SOT89和SOT96/SO-8)作为产品封装架构。这一理念不仅能够满足客户多样化的标准应用需求，同时也为量产提供了保证。

恩智浦首先针对通信和汽车电子领域的应用推出了20～60 V的产品，今后电压范围还会进一步扩大到20～100 V。这两类晶体管产品(符合汽车应用的AECQ-101标准)采用不同的架构和设计方法来实现各自的技术规格，并且在器件的设计中设置了不同的优先级。在此一个非常重要的问题是，我们需要了解产品中哪些元件会对电阻和饱和电压造成影响，影响的程度有多大，以及哪些措施会影响开关时间特性，影响的到底是哪一部分特性。

影响饱和电压的主要因素是电阻电压降以及复合和注入元件。由于复合和注入电压总和相对轻微，因此重点需要注意电阻元件，影响它的因素主要包括半导体衬底电阻、芯片设计以及封装和互连技术。



通过选择不同的低电阻衬底，例如图1所示的掺磷或掺砷衬底，可以大幅降低压降中半导体部分引起的压降所占的比例。另一个重要的影响因素是电流分布，它应在整个芯片范围内尽可能保持均衡，并且将芯片前端金属化的扩展电阻降至最低。对于BISS晶体管，芯片中的电流均衡分布通过一种称为网格设计(将晶体管分成不同的栅格结构)的方法来实现。BISS 4晶体管采用受专利保护的双层金属化布局，能够尽量提升发射极线路金属厚度，从而将饱和电阻降至最低(参见图2)。

缩短开关时间：集成钳位元件，降低扩散电容

要在降低饱和电压的基础上缩短开关时间，关键是尽量降低开关操作中的晶体管扩散电容。这主要通过集成的寄生钳位结构(图3)来实现，该设计可以避免过度驱动饱和状态下的晶体管并有效降低晶体管的存储时间ts。

典型应用

低VCEsat晶体管兼具双极晶体管的优势和低RCEsat值(可与典型MOSFET的RDSon媲美)，主要满足常规开关应用。这些应用包括驱动电压较小的电池供电设备中的负载开关(图4)。由于实际应用中反向电流阻断和高能效具有决定性意义，因此双极晶体管比MOSFET更有优势。例如低VCEsat晶体管通常作为手机等产品的电源管理单元(PMU)中的电荷存储晶体管使用。

另外，笔记本电脑中使用低VCEsat晶体管，可以降低风扇或接口电源负载开关的损耗，延长电池使用时间。

降低饱和电压：低电阻半导体衬底、芯片金属化结构和芯片设计



除了具有低VCEsat特点外，针对开关时间优化的双极晶体管完全满足高频(50 - 200 kHz)开关应用要求，典型应用包括PWM或开关式电源。其中，使用冷阴极荧光灯(CCFL)的显示器背光就属于开关式电源应用。不同的电源规格需要有相应的功率等级与之匹配，恩智浦各种类型的SMD封装器件为用户提供了最好的选择。

市场前景

低VCEsat晶体管的问世为双极晶体管开拓了广泛的市场空间，特别是为便携式设备的负载和开关应用带来了高效解决方案。为满足该行业中新式设备的需求，恩智浦未来有望推出无铅封装产品，进一步降低器件高度，缩小板载空间。低VCEsat双极晶体管的未来发展非常值得期待。