Прорыв в технологии малосигнальных транзисторов

Компоненты и технологии, № 6'2003

Прорыв в технологии

малосигнальных транзисторов

Долгое время производителей портативных электронных устройств устраивали транзисторы, подобные ВС547 и ВС337 в корпусах БОТ54; или ВС847 и ВС817 в корпусах БОТ23. Если возникала потребность в полупроводниках большой мощности, разработчики довольствовались 3-амперными транзисторами ВОР31 в корпусах БОТ223. Однако возрастающие требования к миниатюризации аппаратуры заставляют многих производителей выпускать компоненты меньших и меньших размеров. Например, корпус БОТ490 имеет размеры 1,6х0,8х0,7 мм по сравнению со все еще очень популярным БОТ23 — 2,9х1,3х0,9 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.

е-

Апександр Шелохнев

shell@dectel.ru

Рис. 2. Топология кристалла биполярного транзистора N-P-N

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 (^max = SOT223).

0,5 A; SOT23) и BDP31 (^

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 обла-

Рис. З. Топология кристалла с ячеистым эмиттером BISS-транзистора 1-го поколения

Рис. 4. Топология эмиттерного электрода BISS-транзистора 2-го поколения

Epitaxial-Layer: -20 Jim

Substrate: п+

150 to 200 Jim

Collector

Рис. 1. Упрощенный поперечный разрез биполярного транзистора N-P-N

сти 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 нарис. 3 и 4, позволило значительно минимизировать распределенное сопротивление базы и увеличить эффективность активной области.

Компоненты и технологии, № 6'2003

7"max = 11 7 °С

lc = З A, lB = 100 mA Measurements: ofer Isit, Itzehohe

T = 40 °С

' max

Рис. 7. Температура перехода понижается со 117 до 40 °C

Таблица 1. Максимальный ток коллектора для BISS-транзисторов и обычных транзисторов

У транзисторов, выполненных в 6-вывод-ных 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 ВІ88-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 В188-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 — ВС817 в корпусе 80Т23, стандартный для токов до 0,5 А, и ВБР31 — 3-амперный транзистор в корпусе 80Т223. 80Т23 был выбран, потому что это самый распространенный 8МБ-корпус для дискретных полупроводниковых приборов, а 80Т223 — стандартный корпус для транзисторов средней мощности.

Сопоставив таблицы 4 и 5, вы увидите разницу между обычными и некоторыми из недавно разработанных В188-транзисторов первого поколения. РВ882540Б — один из мало-

Размер Корпус ^ max, A BISS Обычный ^ max, A

1608 SOT490 (SC-89) 0,5 PBSS2540F BC847BF 0,1

1612 SOT666 1 PBSS4140V нет аналога

2012 SOT323 (SC-70) 1 PBSS4140U BC817W 0,5

2012 SOT363 (SC-88) 2 PBSS4240Y нет аналога

2913 SOT23 2 PBSS4240T BC817 0,5

2915 SOT457 (SC-74) 3 PBSS4350D нет аналога

6335 SOT223 (SC-73) 5 PBSS4540Z BDP31 3

мощных 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.

Ti=T+RthxVCE х/

jam Cbsat с

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

Таким образом, применение ЫББ-транзис-торов 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 БОТ23 (РВ884350Т) или до 3 А для корпуса 80Т457 (БС-74), по сравнению с 0,5 А для ВС817.

Теперь для транзистора в корпусе БОТ223 максимально допустимый ток коллектора — 5 А, величина, ранее не достижимая для этого корпуса.

Для малосигнальных приложений (ток коллектора до 0,5 А) рекомендуется ВКБ-транзис-тор РВ5Б2540Р, имеющий размеры 1,6х0,8 мм в корпусе 80Т490 (БС-89).

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

Главная причина уменьшения рассеиваемой мощности — уменьшение напряжения насыщения иКЭтах. По сравнению с обычным транзистором 0,5 А в корпусе Б0Т23 напряжение насыщения понижено на 73%. Следующее поколение ВКБ-транзисторов будет иметь еще меньшее напряжение насыщения. Таблица 2. Напряжение насыщения некоторых транзисторов

Технология Тип Uomax^ ^ = 0,5 А

Обычный BC817-40 220 мВ типовое

BISS 1-го поколения PBSS4140T 130 мВ типовое

BISS 2-го поколения PBSS4350T 60 мВ типовое

100

£ 50

10

— Quick reference Ісгтшх

ВСВ17-40 SOT23 0.5А PBSS2540F SOT490(SC-89) 0.5А _ PBSS4350T SOT23 2А

ВС817-25

- PESS4350T (1СМВ=2 1

1 и .1

I

1

10

100

1е[тА]

Рис. 8. Типовые величины напряжения насыщения для малосигнальных транзисторов

500-

- I | * >й

— Quick reference lcmax “ BDP31 SOT233(SC-73) ЗА PBSS4350Z SOT233(SC-73) ЗА _ PBSS4540Z $OT23(SC-73) 5А

PESS43507

;PBSS4540Z(ICIIB=20) т = 27°С

1 ИМИ +Ш 1—

1

10

100

1с[тА]

Рис. 9. Типовые величины напряжения насыщения для мощных транзисторов

1000

3000

Компоненты и технологии, № 6'2003

На рис. 8 показаны типовые напряжения насыщения транзисторов ВС817-40 в корпусе 80Т23, РВ882540Б в корпусе 80Т490 (8С-89) и РВ884350Т в корпусе 80Т23. На графике видно, что для намного меньшего по размерам РВ882540Б напряжение насыщения такое же, как и для ВС817-40. Напряжение насыщения транзистора РВ884350Т на 60-70% меньше, чем у ВС817-40.

На рис. 9 показаны типовые напряжения насыщения транзисторов ВБР31, РВ8843502 и РВ8845402 (все транзисторы выполнены в корпусе 80Т223). Напряжение насыщения РВ8843502 составляет приблизительно 60%, а РВ8845402 — приблизительно 30% от напряжения насыщения ВБР31.

Разработчик имеет несколько возможностей выбора В188-транзисторов при конструировании:

• Транзистор в миниатюрном корпусе 80Т490 (8С-89) с характеристикой обычного транзистора в корпусе 80Т23.

• Транзистор в корпусе 80Т23 с очень низким напряжением насыщения. Имеет малую рассеиваемую мощность и позволяет избегать мест сильного нагрева.

• Транзистор в корпусе 80Т23 с максимально допустимым током коллектора до 2 А, с напряжением насыщения меньшим, чем у обычного транзистора в корпусе 80Т223. Для замены транзисторов средней мощности.

• Транзистор в корпусе 80Т223 с очень низким напряжением насыщения. Имеет малую рассеиваемую мощность.

• Транзистор в корпусе 80Т223 с максимально допустимым током коллектора до 5 А. Для замены транзисторов большой мощности.

На рис. 10 показана зависимость напряжения насыщения от тока коллектора при различных токах базы. Для сравнения взяты транзисторы РВ8845402 и ВБР31. На графике видно, что для низких значений тока коллектора (до 20 мА) транзистору РВ8845402 достаточно в 10 раз меньшего тока базы для достижения того же самого напряжения насыщения по сравнению с транзистором ВБР31. Для высоких значений тока коллектора (до 3 А) требуется в 4 раза меньший ток базы по сравнению с транзистором ВБР31.

Меньшее напряжение насыщения ВІ88-транзистора уменьшает рассеиваемую мощность, позволяет увеличивать нагрузку вы-

ходного каскада, что особенно важно для схем с низким напряжением питания.

В188-транзисторы имеют меньшую зависимость коэффициента усиления от тока коллектора. Рис. 11 показывает зависимость коэффициента усиления от тока коллектора транзисторов ВС817-40 и РВ884350Т.

На графике видно, что при максимальном токе коллектора (500 мА) усиление транзистора ВС817-40 понижается примерно на 65% от первоначальной величины, в то время как у транзистора РВ884350Т при том же токе коллектора — только на 10%.

Меньший ток базы ВІ88-транзистора снижает нагрузку на цифровые цепи и имеет бо-

лее низкую рассеиваемую мощность, особенно при высоких токах коллектора. Благодаря этому схема имеет более высокий КПД.

Рекомендации по выбору ВДО-транзисторов

На сегодняшний день выпускается более 40 типов БКв-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 БК8-транзисторов.

Таблица 3. Применение В!33-транзисторов позволяет увеличить ток коллектора в данном корпусе или уменьшить размер корпуса

Тип транзистора PBSS4350Z BDP31 PBSS4540Z

Тип корпуса ЗОТ223 ЗОТ223 ЗОТ223

Размер корпуса, мм 6,5х3,5 6,5х3,5 6,5х3,5

мин. тип. макс. мин. тип. макс. мин. тип. макс.

Ток коллектора, А ІК 3 0,5 3

Максимальный ток коллектора, А ІКтах 5 1 5

Напряжение коллектор-эмиттер, В иКЭтах 50 45 50

Рассеиваемая мощность, Вт Ртах 1,35* 2** 1,35* 1,35* 2**

ІК =0,5 А ^2Ь 200 335 - 40 75 - 300 500 -

Коэффициент усиления ІК =2 А 100 195 - 20 55 - 250 450 -

ІК =5 А - - 100 350

1К =0,5 А иКЭнас - 60 90 - 100 300 - 30 90

Напряжение насыщения, мВ ІК =2 А - 200 290 - 310 700 - 90 150

ІК =5 А - - - 210 355

ІК =0,5 А ^КЭнас - 120 180 - 200 600 - 60 180

Эквивалентное сопротивление, мОм ІК =2 А - 100 145 - 155 350 - 45 75

ІК =5 А - - - 42 71

* Транзистор имеет тепловой контакт с медной площадкой на печатной плате в 1 см2.

** Транзистор имеет тепловой контакт с медной площадкой на печатной плате размером 6 см2.

Таблица 4. Применение БІЗЗ-транзисторов позволяет увеличить ток коллектора или избегать мест перегрева

Тип транзистора PBSS2540F BC817-40 PBSS4350T

Тип корпуса З0Т490(ЗС-89) З0Т23 З0Т23

Размер корпуса, мм 1,6х0,8 2,9х1,3 2,9х1,3

мин. тип. макс. мин. тип. макс. мин. тип. макс.

Ток коллектора, А ІК 0,5 0,5 3

Максимальный ток коллектора, А ІКтах 1 1 5

Напряжение коллектор-эмиттер, В иКЭтах 40 45 50

Рассеиваемая мощность, мВт Ртах 250 250 300 480*

Коэффициент усиления ІК =0,5 А ^2Ь 50 130 - 40 130 600 300 580 -

ІК =2 А 200 360 -

Напряжение насыщения, мВ ІК =0,5 А ^КЭнас - 200 250 - 200 700 - 60 80

ІК =2 А - - - 200 260

Эквивалентное сопротивление, мОм ІК =0,5 А ^КЭнас - 400 500 - 400 1400 - 120 160

ІК =2 А - - - 100 130

! Транзистор имеет тепловой контакт с медной площадкой на печатной плате размером 1 см2. --------------------------------------www.finestreet.ru-------

Компоненты и технологии, № 6'2003

500-

100

I

10

Quick reference lcmax

PBSS2540F SOT490(SC-89] 0.5A PBSS2545F SOT490(SC-89) 0.5A

_ PBSS 2540 і

IcfmA]

Рис. 12. Типовые напряжения насыщения для 15-вольтовых РВ332515Р и 40-вольтовых РВ352540Р

500

120 100 g 80 "S 60

.N

о

Е

PBSS4540Z

Quick reference lcmax

PRSfUJUn? ЯПТЇ_Ч_И.<ІГ-7ЯІ ЧД \ PBSS4350Z

Vt r = ?V

T„ = 25°C

100

1с[тА]

1000

3000 5000

Рис. 13. Развитие ВІ33-транзисторов: транзистор 5 А РВ3345402 имеет более высокое усиление по току, чем 3 А РВ3343502

Таблица 5. Рассеиваемая мощность в зависимости от корпуса и величины монтажной площади

Pmax

Размер Корпус на основании транзистора монтажная площадка 1 см2 монтажная площадка 6 см2 BISS-транзистор

16GB SOT49G (SC-B9) 25G PBSS254GF

1612 SOT666 25G 3GG PBSS414GV

2G12 SOT323 (SC-7G) 25G 35G PBSS414GU

2G12 SOT363 (SC-BB) 27G 43G PBSS424GY

2913 SOT23 25G 4BG PBSS424GT

2915 SOT457 (SC-74) 6GG 75G PBSS435GD

6335 SOT223 (SC-73) 135G 2GGG PBSS454GZ

SOT54 (TO-92) B3G PBSS435GS

В таблице 5 приведены величины рассеиваемых мощностей для различных корпусов.

Если не требуется транзистор с высоким рабочим напряжением (иКЭтах = 40-50 В), то рекомендуется выбрать транзистор с более низким допустимым напряжением

(иКЭтах = 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 РБ882515Б и 40-вольтовых РБ882540Б.

Если у выбранного транзистора при заданном токе недостаточен коэффициент усиления, то можно выбрать транзистор с более высоким максимальным током коллектора. Например, у транзисторов РБ8845402 (1тах=5 А) при токе 3 А снижение коэффициента усиления всего 10%, тогда как у РБ8843502 (1тах=3 А) снижение — 70% (рис. 13). Преимущества Б188-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.