Биполярный или МОП-транзистор – приложение диктует выбор

В последние годы, благодаря большим инвестициям и энергичному продвижению на рынок, технология МОП-транзисторов развилась до такой степени, что многие разработчики считают технологию и производство биполярных транзисторов устаревшей. Но между тем технология биполярных транзисторов продолжает развиватся, конкурирует, а в рде приложений и превосходит МОП-технологию. Именно поэтому очень важно сравнить характеристики и выявить преимущества каждой из технологий.

Основная характеристика, которой разработчики уделяют очень большое внимание — это сопротивление открытого канала при напряжении пробоя. Благодаря технологии производства МОП-транзисторов Trench появилась возможность создавать очень низкое сопротивление канала за счет его высокой плотности. Это позволило существенно улучшить характеристики транзисторов с низким напряжением пробоя, но тем не менее электрический ток остается сконцентрированным в узких областях канала. МОП-транзисторы с высокими напряжениями также зависят от высоких сопротивлений слаболегированных стоковых областей таким образом, что сопротивление канала возрастает при увеличении напряжения пробоя:

При одинаково заданных условиях нет ничего удивительного в том, что биполярные транзисторы превосходят МОП-транзисторы, если говорить в понятиях сопротивления в открытом состоянии на единицу площади кристалла (удельное сопротивление, рис. 1). При оптимизации технологического процесса биполярного транзистора напряжение смещения и ток равномерно распределяются по всей площади кристалла. При этом достигается максимальная эффективность используемого кремния. Более того, биполярные транзисторы имеют дополнительное преимущество при их работе в качестве ключа в насыщении благодаря модуляции проводимости в активной коллекторной зоне, что значительно снижает их сопротивление Rce(sat). МОП-транзисторы не обладают ни одним схожим свойством, что дает биполярным транзисторам неоспоримое преимущество. На графике (рис. 2) отражена зависимость между напряжением пробоя и напряжением насыщения для третьего поколения транзисторов Zetex:

Разница в величине экспоненты в формулах 1 и 2 доказывает преимущество биполярных транзисторов перед МОП-транзисторами в отношении удельного сопротивления при увеличении напряжений пробоя. Например, NPN-транзистор FMMT459 фирмы Zetex c номинальным напряжением 450 В имеет максимальный ток 150 мА при типовом значении сопротивления Rce(sat) только 1,4 Ом, что позволяет использовать корпус SOT-23. Схожий по классу МОП-транзистор имеет настолько высокое сопротивление и низкую плотность тока, что для него необходимо использовать корпус типа D-PAK, чтобы поместить кристалл кремния необходимой площади и достичь требуемых параметров. Также необходимо помнить, что биполярные транзисторы блокируют напряжение в двух направлениях, что задается их характеристиками BV_ebo и BV_eco. И в тех случаях, когда требуется двусторонняя блокировка, это свойство биполярных транзисторов исключает необходимость использования дополнительных элементов, таких, как последовательный диод или компенсирующая пара МОП-транзисторов, что снижает дополнительные потери (см. пример 1).

Зависимость сопротивления от температуры — другой важный фактор в определении токовой характеристики силового ключа. Поскольку с изменением температуры коэффициент усиления биполярного транзистора увеличивается и снижается значение V_be, которое является составляющей V_ce(sat), то происходит увеличение сопротивления R_ce(sat) биполярного транзистора, которое в общем случае составляет половину аналогичного сопротивления R_ds(on) МОП-транзистора. Данная характеристика позволяет биполярным транзисторам быть более холодными при высоком непрерывном токе по сравнению с МОП-транзисторами в сопоставимых областях кристалла.

Требования по управлению биполярными и МОП-транзисторами различны. Поэтому при сравнении двух технологий необходимо обращать на это внимание. Например, биполярные транзисторы требуют соответствующего тока базы, чтобы достигнуть наиболее низкого значения R_ce(sat), а потери на базе должны учитываться при расчете рассеиваемой мощности. Приборы с высоким коэффициентом усиления минимизируют такие потери, и тот факт, что для открытия биполярного транзистора требуется менее одного вольта, и что он обладает лучшей температурной стабильностью, позволяет использовать его в низковольтных приборах и приборах с батарейным питанием. В свою очередь, для МОП-транзистора требуется ток затвора только лишь для заряда и разряда затворной емкости. Но величина напряжения на затворе является критичной для достижения наиболее низкого значения R_ds(on), и сопротивление канала очень быстро возрастает, когда напряжение на затворе приближается к пороговому значению. Исходя из сказанного выше, для наиболее качественного сравнения этих двух типов приборов были выбраны управляющие токи и напряжения, при которых достигаются наилучшие параметры обеих технологий, что отражено на рис. 1.

МОП-транзисторы могут переключаться при частотах свыше 1 МГц за счет высокотоковой схемы управления, которая заряжает и разряжает паразитные емкости. Очень часто для управления МОП-транзисторами используются биполярные транзисторы, которые могут обеспечить необходимый управляющий ток и высокую частоту переключения (см. пример 2). Однако когда биполярный транзистор работает как ключ по насыщению, то накопление и удаление остаточного заряда в процессе каждого цикла переключения увеличивает время включениявыключения, что ограничивает частоту до нескольких сотен килогерц.

МОП-транзисторы чувствительны к электростатическому заряду, особенно когда он является причиной превышения допустимого напряжения. При хорошей качественной сборке существует возможность минимизировать, но не избежать потенциальных отказов из-за этого. Биполярный транзистор является более устойчивым и не испытывает трудностей при прохождении стандартного ESD-теста.

И последнее: многие из обсуждаемых здесь факторов влияют на общую стоимость схемы. Понимая все преимущества и недостатки каждой технологии, можно сделать соотношение «цена — качество» максимальным. В таблице 1 приведены ключевые параметры биполярных и МОП-транзисторов.

Пример 1. Зарядное устройство батареи

Линейные зарядные устройства просты в исполнении, малы по размерам и не создают никаких электромагнитных помех (EMI), что дает им право быть использованными в системах с критичными требованиями по шумам. В них используется внешний пассивный элемент, на котором происходит падение разницы напряжений между напряжением источника питания и напряжением батареи, что приводит к большой рассеиваемой мощности. Ниже представлена схема такого устройства с использованием транзистора ZXT13P20 (Zetex). Потери мощности на транзисторе определяются потерями на коллектор-эммитере.

где V_SENSE = I_CHG × R_CHG.

Критерии выбора элементов для схемы включают в себя значение максимального протекающего тока, коэффициент усиления по току, цену и потери на корпусе. Биполярные PNP-транзисторы являются приоритетными в приложениях такого типа из-за их способности блокировать напряжение в двух направлениях. МОП-транзистору необходимо последовательное подключение диода Шотки для предотвращения утечки тока в обратном направлении через его внутренний диод.

Пример 2. Схема управления МОП-транзистора

Высокотоковые МОП-транзисторы с низким Rds(on) обладают затворными емкостями, которые требуют высокого управляющего тока для работы на высоких частотах. Обычно управляющее устройство питает МОП-транзистор через резистор, поэтому напряжение на затворе имеет характеристику с постоянной времени RC. Это время должно быть достаточно мало, чтобы находиться в линейной зоне для избежания дополнительных потерь, но и не настолько коротким, чтобы спровоцировать электромагнитные помехи.

Средняя величина тока затвора во время включения может быть вычислена по формуле:

I_g = Q/t,

где I_g — средняя величина тока затвора; Q — суммарный заряд затвора (Q_gs + Q_gd) ; t — время переключения (t_on или t_off).

Например, суммарный заряд для МОП-транзистора с типичными параметрами 100 В, 35 мОм составляет примерно 50 нКл, поэтому для того, чтобы переключить такой транзистор за 20 нс, необходимо на затворе иметь ток 2,5 А.

В качестве устройства управления МОП-транзистором могут быть использованы специализированные ИС, логические ИС, дискретные МОП и биполярные транзисторы. Критерии выбора включают скорость переключения, мощность тока, коэффициент усиления по току, цену и размер. В этом смысле биполярные транзисторы являются наиболее подходящими, так как обладают способностью быстро переключаться в линейной области. Они также обладают высоким импульсным током, малыми размерами и ценой.

Одним из наиболее популярных и разумных по цене устройств является биполярное безинверторное двухполюсное управление.

Если при частоте 1 МГц (см. пример 2) МОП-транзистор начинает переключаться при напряжении от 5 В, то мощность рассеяния в каждом управляющем транзисторе рассчитывается так:

Допуская, что величина тока базы зависит от управляющего напряжения V_drive, общие потери управляющей цепи составляют

И это при двух устройствах, рассеивающих только 256 мВт. В этом случае объединение двух транзисторов в одном корпусе является идеальным решением от производителей, таких, как Zetex.