Прорыв в технологии малосигнальных транзисторов

Долгое время производителей портативных электронных устройств устраивали транзисторы, подобные BC547 и BC337 в корпусах SOT54; или BC847 и BC817 в корпусах SOT23. Если возникала потребность в поупроводниках большой мощности, разработчики довольствовались 3-амперными транзисторами BDP31 в корпусах SOT223. Однако возрастающие требования к миниатюризации аппаратуры заставляют многих производителей выпускать компоненты меньших и меньших размеров. Например, корпус SOT490 имеет размеры 1,6×0,8×0,7 мм по сравнению со все еще очень популярным SOT23 — 2,9×1,3×0,9 мм. И наблюдается тенденция к дальнейшему уменьшению размеров компонентов. С другой стороны, необходимый ток коллектора наоборот увеличивается. А потребность в более высоком КПД, позволяющем увеличить срок службы батареи, требует создания новых транзисторов с низким напряжением насыщения коллектор-эмиттер и высоким усилением по току.

Требования времени побудили Philips Semiconductors к разработке и продвижению на рынок целой гаммы транзисторов с малым напряжением насыщения коллектор-эмиттер. Они были названы BISS (Breakthrough In Small Signal).

Вот некоторые из них:

• BISS-транзистор 2 А PBSS4350T в SOT23;
• BISS-транзистор 0,5 А PBSS2540F в SOT490 (SC-89);
• BISS-транзистор 3 А PBSS4350Z в SOT223 (SC-73);
• BISS-транзистор 5 А PBSS4540Z в SOT223 (SC-73).

Далее для сравнения используются транзисторы BC817-40 (I_Кmax = 0,5 A; SOT23) и BDP31 (I_Кmax = 3 A; SOT223).

Технологии

Рис. 1 показывает упрощенный поперечный разрез биполярного транзистора N-P-N, а рис. 2 — топологию кристалла.

Транзистор состоит из трех различных слоев: высоколегированного эмиттерного слоя, среднелегированной области базы и низколегированной области коллектора. Высоколегированная подложка является несущим основанием и проводником. В процессе сборки транзистора кристалл крепят к корпусу посредством склеивания или эвтектического спаивания. Эмиттер и базу соединяют с выводами при помощи тонких проводников.

Для разработки высококачественного транзистора пришлось переработать топологию кристалла и расположения выводов, подобрать материал для подложки и выводов с целью минимизации электрического сопротивления. Использование технологии эмиттера ячеистого типа, которая показана на рис. 3 и 4, позволило значительно минимизировать распределенное сопротивление базы и увеличить эффективность активной области.

У транзисторов, выполненных в 6-выводных корпусах, форма подложки позволяет изготовить кристалл максимальной площади для данного типа корпуса. В результате удалось снизить тепловое сопротивление по сравнению с 3-выводным корпусом (рис. 5 и 6).

Улучшенные характеристики

У транзисторов, выполненных по BISS-технологии, улучшены электрические характеристики и, как следствие, снижена рассеиваемая мощность по сравнению с обычными транзисторами. За счет этого достигается уменьшение габаритов кристалла и, соответственно, корпуса.

У BISS-транзисторов улучшены следующие параметры:

• снижена рассеиваемая мощность;
• повышен максимальный ток коллектора;
• повышен пиковый ток коллектора;
• уменьшено напряжение насыщения;
• увеличено усиление по току при высоком токе коллектора.

Чтобы детально показать улучшение характеристик, выберем обычный транзистор — BC817 в корпусе SOT23, стандартный для токов до 0,5 A, и BDP31 — 3-амперный транзистор в корпусе SOT223. SOT23 был выбран, потому что это самый распространенный SMD-корпус для дискретных полупроводниковых приборов, а SOT223 — стандартный корпус для транзисторов средней мощности.

Сопоставив таблицы 4 и 5, вы увидите разницу между обычными и некоторыми из недавно разработанных BISS-транзисторов первого поколения. PBSS2540F — один из маломощных транзисторов, тогда как PBSS4350T имеет самый высокий ток коллектора для корпуса SOT23. PBSS4350Z рассматривается как прямая замена для BDP31, а PBSS4540Z имеет на сегодняшний день наибольший ток коллектора (Ic max = 5 A) для корпуса SOT223.

Замена обычных транзисторов на BISS-транзисторы открывает различные возможности для улучшения характеристик и увеличения эффективности выпускаемого оборудования.

BISS-транзистор, собранный в том же корпусе, что и обычный транзистор, рассеивает меньше тепла.

Фактическое рассеяние мощности у него на 65% ниже, чем у обычного транзистора.

Таким образом, применение BISS-транзисторов позволяет избежать мест локального перегрева на печатной плате. Схема становится более надежной и эффективной. В некоторых случаях может использоваться менее дорогая печатная плата.

Более высокий максимальный ток коллектора и, кроме того, более высокий максимальный импульсный ток коллектора — еще одно дополнительное преимущество эмиттера ячеистого типа.

Максимальный ток коллектора теперь может быть повышен до 2 А для корпуса SOT23 (PBSS4350T) или до 3 А для корпуса SOT457 (SC-74), по сравнению с 0,5 А для BC817.

Теперь для транзистора в корпусе SOT223 максимально допустимый ток коллектора — 5 A, величина, ранее не достижимая для этого корпуса.

Для малосигнальных приложений (ток коллектора до 0,5 А) рекомендуется BISS-транзистор PBSS2540F, имеющий размеры 1,6×0,8 мм в корпусе SOT490 (SC-89).

В таблице 1 показан краткий обзор для BISS-транзисторов по сравнению с обычными в том же корпусе.

Главная причина уменьшения рассеиваемой мощности — уменьшение напряжения насыщения U_КЭmax. По сравнению с обычным транзистором 0,5 А в корпусе SOT23 напряжение насыщения понижено на 73%. Следующее поколение BISS-транзисторов будет иметь еще меньшее напряжение насыщения.

На рис. 8 показаны типовые напряжения насыщения транзисторов BC817-40 в корпусе SOT23, PBSS2540F в корпусе SOT490 (SC-89) и PBSS4350T в корпусе SOT23. На графике видно, что для намного меньшего по размерам PBSS2540F напряжение насыщения такое же, как и для BC817-40. Напряжение насыщения транзистора PBSS4350T на 60–70% меньше, чем у BC817-40.

На рис. 9 показаны типовые напряжения насыщения транзисторов BDP31, PBSS4350Z и PBSS4540Z (все транзисторы выполнены в корпусе SOT223). Напряжение насыщения PBSS4350Z составляет приблизительно 60%, а PBSS4540Z — приблизительно 30% от напряжения насыщения BDP31.

Разработчик имеет несколько возможностей выбора BISS-транзисторов при конструировании:

• Транзистор в миниатюрном корпусе SOT490 (SC-89) с характеристикой обычного транзистора в корпусе SOT23.
• Транзистор в корпусе SOT23 с очень низким напряжением насыщения. Имеет малую рассеиваемую мощность и позволяет избегать мест сильного нагрева.
• Транзистор в корпусе SOT23 с максимально допустимым током коллектора до 2 А, с напряжением насыщения меньшим, чем у обычного транзистора в корпусе SOT223. Для замены транзисторов средней мощности.
• Транзистор в корпусе SOT223 с очень низким напряжением насыщения. Имеет малую рассеиваемую мощность.
• Транзистор в корпусе SOT223 с максимально допустимым током коллектора до 5 A. Для замены транзисторов большой мощности.

На рис. 10 показана зависимость напряжения насыщения от тока коллектора при различных токах базы. Для сравнения взяты транзисторы PBSS4540Z и BDP31. На графике видно, что для низких значений тока коллектора (до 20 мА) транзистору PBSS4540Z достаточно в 10 раз меньшего тока базы для достижения того же самого напряжения насыщения по сравнению с транзистором BDP31. Для высоких значений тока коллектора (до 3 А) требуется в 4 раза меньший ток базы по сравнению с транзистором BDP31.

Меньшее напряжение насыщения BISS-транзистора уменьшает рассеиваемую мощность, позволяет увеличивать нагрузку выходного каскада, что особенно важно для схем с низким напряжением питания.

BISS-транзисторы имеют меньшую зависимость коэффициента усиления от тока коллектора. Рис. 11 показывает зависимость коэффициента усиления от тока коллектора транзисторов BC817-40 и PBSS4350T.

На графике видно, что при максимальном токе коллектора (500 мА) усиление транзистора BC817-40 понижается примерно на 65% от первоначальной величины, в то время как у транзистора PBSS4350T при том же токе коллектора — только на 10%.

Меньший ток базы BISS-транзистора снижает нагрузку на цифровые цепи и имеет более низкую рассеиваемую мощность, особенно при высоких токах коллектора. Благодаря этому схема имеет более высокий КПД.

Рекомендации по выбору BISS-транзисторов

На сегодняшний день выпускается более 40 типов BISS-транзисторов. И их количество непрерывно увеличивается. Краткий обзор этих типов приведен в таблицах 3 и 4. Средняя колонка содержит общие данные рекомендованных транзисторов, а левая и правая колонки включают данные BISS-транзисторов.

В таблице 5 приведены величины рассеиваемых мощностей для различных корпусов.

Если не требуется транзистор с высоким рабочим напряжением (U_КЭmax = 40–50 В), то рекомендуется выбрать транзистор с более низким допустимым напряжением (U_КЭmax = 15–20 В), так как он имеет более низкое напряжение насыщения и, как следствие, меньшую рассеиваемую мощность. На рис. 12 приведены типовые напряжения насыщения для 15-вольтовых PBSS2515F и 40-вольтовых PBSS2540F.

Если у выбранного транзистора при заданном токе недостаточен коэффициент усиления, то можно выбрать транзистор с более высоким максимальным током коллектора. Например, у транзисторов PBSS4540Z (Imax=5 А) при токе 3 А снижение коэффициента усиления всего 10%, тогда как у PBSS4350Z (Imax=3 А) снижение — 70% (рис. 13).

Преимущества BISS-транзисторов:

• низкое напряжение насыщения, низкое эквивалентное сопротивление коллектор-эмиттер;
• малая рассеиваемая мощность;
• высокий ток коллектора, связанный с его площадью;
• высокий коэффициент усиления по току при больших токах коллектора.