雙極結(jié)型晶體管——MOSFET的挑戰(zhàn)者

0   引言

數(shù)字開關(guān)通常使用MOSFET 來創(chuàng)建，但是對于低飽和電壓的開關(guān)模型，雙極結(jié)型晶體管已成為不容忽視的替代方案。對于低電壓和低電流的應(yīng)用，它們不僅可以提供出色的電流放大效果，還具有成本優(yōu)勢（圖1）。

圖1 雙極結(jié)型晶體管可為移動設(shè)備提供更長的使用壽命 圖源：IB Photography/Shutterstock

在負載開關(guān)應(yīng)用中，晶體管需要精確地放大基極電流，使輸出電壓接近零，以便僅測量晶體管的飽和電壓。MOSFET 通常用于這項用途，因為它們不需要任何底層控制器作為電壓控制組件。另一方面，雙極結(jié)型晶體管（BJT）是需要能夠連續(xù)傳輸電流的底層控制器的電流控制組件。不過，具有更高的電流增益（hFE）和更低的飽和電壓（V_CE(sat)）的雙極結(jié)型晶體管可以實現(xiàn)更低的基極電流。它們較高的電流增益降低了基極電流的要求，由此可以由單片機直接開關(guān)。例如，如果晶體管需要傳導(dǎo)1 A 電流并且電流增益為100，則基極電流至少需要10 mA，以確保晶體管飽和。如果晶體管可以提供500 的電流增益，則2 mA 電流就足夠了。而且，雙極結(jié)型晶體管還可通過基極偏置電阻器和基極- 發(fā)射極電壓（VBE）大大減少損耗。如果晶體管用作低頻開關(guān)，則較低的飽和壓降可以減少集電極- 發(fā)射極的功耗，并在標(biāo)準(zhǔn)化芯片表面上實現(xiàn)更高的集電極電流（I_C）。因此，對于全導(dǎo)通狀態(tài)，低飽和電壓雙極結(jié)型晶體管只需要0.3 ～ 0.9 V 的低基極- 發(fā)射極電壓，非常適合低壓開關(guān)應(yīng)用。控制電壓適用于整個工作溫度范圍。如果雙極結(jié)型晶體管用作飽和開關(guān)，還會影響集電極區(qū)域的電導(dǎo)率，從而在飽和時大幅降低集電極-發(fā)射極的電阻（R_CE(sat)）。MOSFET 則不具有這種電導(dǎo)率影響，但這確實增加了基極的反向恢復(fù)時間，意味著開關(guān)周期變得更長。由于渡越頻率的緣故，雙極結(jié)型晶體管只能用于涉及幾百kHz 頻率的應(yīng)用。使用渡越頻率除以電流增益因數(shù)則產(chǎn)生截止頻率。這被定義為電流增益降至–3 dB 的閾值（即0.707 因數(shù)）。因此在應(yīng)用中與截止頻率保持一定距離是很重要的。

1   延長移動設(shè)備的使用壽命

由于低飽和電壓雙極結(jié)型晶體管具有高增益性能，其效率也比常規(guī)的BJT 和MOSFET 更高，因此當(dāng)與基極電阻器結(jié)合使用時，它們可以替代MOSFET 和肖特基二極管。這樣提供了更長的電池充電使用壽命和降低的組件成本優(yōu)勢，尤其是在移動和/ 或電池供電應(yīng)用（例如電動牙刷、剃須刀或手持式攪拌器）中。相比ESD 容限超過8 000 V 的MOSFET，雙極結(jié)型晶體管對靜電放電（ESD）的敏感性要低得多，并且它們還具有防止電壓尖峰的內(nèi)部保護功能。晶體管的增益隨著溫度的升高而進一步增加。同時，在最大允許基極電流下，基極- 發(fā)射極電壓相對于正向電壓（V_BE(sat)）的占比減小了。結(jié)果，對于BJT，飽和時的集電極- 發(fā)射極電阻（R_CE(sat)）低于相近MOSFET 的導(dǎo)通電阻（R_DS(on)）。與芯片表面積相同的MOSFET 相比，BJT 在較高的電流密度和/ 或在連續(xù)電流下產(chǎn)生的熱量也較少。同樣，在給定的負載電流下，飽和電壓仍與功率損耗成比例。因此，低飽和電壓雙極結(jié)型晶體管具有較低的功率損耗，從而降低了散熱需求。考慮到總體功率損耗，控制基極所產(chǎn)生的損耗是不容忽視的。當(dāng)使用具有較高增益的低飽和電壓雙極結(jié)型晶體管時，它們也比較低。雙極結(jié)型晶體管的另一個優(yōu)點是它們可以在兩個方向上截止，從而無需額外的反并聯(lián)MOSFET。BJT晶體管也更便宜，相比MOSFET具有明顯的成本優(yōu)勢。

2   高開關(guān)性能

BJT 可以提供優(yōu)于最大允許功率損耗很多倍的開關(guān)性能，因為作為開關(guān)工作的晶體管具有兩個固定的工作點。如果足夠的基極電流流入第一個，將導(dǎo)致集電極電流閉合開關(guān)，這個開關(guān)兩端僅存在殘余電壓降。由于第二工作點的基極電流為零，因此具有全部工作電壓的晶體管用作阻斷。兩個工作點之間的過渡非?？焖?。這樣可以將負載線放置在適當(dāng)?shù)奈恢茫沟脧膶?dǎo)通到受阻晶體管（反之亦然）的過渡足夠快速以穿過功率損耗雙曲線，且不會發(fā)生得太頻繁。固定工作點僅需位于雙曲線的下方。由于BJT 能夠在線性范圍內(nèi)進行非常快速的開關(guān)運作，并提供具有高電流密度的高脈沖電流，因此它們適合用作控制MOSFET 的驅(qū)動器。相比專用IC 驅(qū)動器解決方案，這可以減小尺寸并降低成本。

3   小組件、高性能

低飽和電壓雙極結(jié)型晶體管通常在SOT 封裝中具有12 ～ 100 V 的最大集電極- 發(fā)射極電壓（VCEO）和高達幾安培的集電極電流。目前，世界上最小的雙極結(jié)型晶體管采用了Diodes 的DFN0606-3 超小型封裝。45 V NPN 小信號雙極結(jié)型晶體管BC847BFZ 的占位面積僅為0.36 mm²，高度僅為0.4 mm，相比相近的DFN1006、SOT883 和SOT1123 組件體積減小了40%（如圖2），并且性能優(yōu)于外形更大的相近晶體管產(chǎn)品。這是因為無鉛封裝允許實現(xiàn)更高的功率密度，而熱性能為135 ℃ /W。Diodes 的產(chǎn)品模型允許低壓應(yīng)用實現(xiàn)低于1 V 的電壓開關(guān)操作，可讓移動設(shè)備以最小的功率完全開啟。它們具有100 mA 的集電極電流和925 mW 的功率損耗，特別適合智能手表、健身工具等可穿戴設(shè)備，以及智能手機和平板電腦等其他消費類設(shè)備。相對應(yīng)的PNP 晶體管產(chǎn)品是BC857BZ。

圖2 Diodes的45 V NPN小信號雙極結(jié)型晶體管BC847BFZ相比同類DFN1006、SOT883和SOT1123組件體積減小40%，并具有更高的性能。圖源：Diodes

4   結(jié)束語

對于許多電路應(yīng)用而言，具有低飽和電壓的BJT不僅可以替代MOSFET，而且還具有許多優(yōu)勢——例如導(dǎo)通電阻低、控制電壓低于1 V、具有出色的溫度穩(wěn)定性以及對ESD 不敏感。由于BJT 可以在兩個方向上阻斷電流，因此可以省去第2 個MOSFET。低飽和電壓雙極結(jié)型晶體管的功率損耗和產(chǎn)生的熱量輸出較低，而且價格也比較低。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）