О Компании Новости Каталог Аналоги Прайс-лист Оформить заявку
+7 (495) 610-6591
+7 (495) 610-8863
+7 (495) 610-9180
О компании
Новости \Публикации \Прорыв в технологии малосигнальных транзисторов

Прорыв в технологии малосигнальных транзисторов

Шелохнёв Александр

Введение

В настоящее время производители аппаратуры стремятся к миниатюризации и более высокому КПД. Мобильные телефоны, переносные компьютеры и ноутбуки одновременно с повышением производительности становятся все более компактными и экономичными.
Долгое время транзисторы, подобные BC547 и BC337 в корпусах SOT54, или BC847, BC817 в корпусах SOT23 удовлетворяли требованиям многих приложений. В случае же с большими токами разработчики довольствовались трёхамперными транзисторам BDP31 в корпусах SOT223. Но всё более возрастающие требования к миниатюризации аппаратуры заставляют многих производителей выпускать компоненты меньших и меньших размеров. Например, корпус SOT490 имеет размеры 1.6x0.8x0.7 мм по сравнению с все еще очень популярным SOT23 - 2.9x1.3x0.9 мм. И наблюдается тенденция к дальнейшему уменьшению размеров компонентов.

С другой стороны, необходимый ток коллектора наоборот увеличивается - например, для корпуса SOT23 от 0,1 и до 2-х ампер и более. Далее, необходимость в более высоком КПД для уменьшения потерь мощности и необходимость в увеличении срока службы батареи требует создания новых транзисторов с низким напряжением насыщения коллектор-эмиттер и высоким усилением по току.

Все эти требования побудили Philips Semiconductors к разработке и продвижению на рынок полупроводников целой гаммы транзисторов с малым напряжением насыщения коллектор-эмиттер. Philips назвал их BISS (Breakthrough In Small Signal) транзисторы.
Вот некоторые из них:

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

Далее для сравнения используются транзисторы BC817-40 (IКmax = 0.5 A; SOT23) и BDP31 (IКmax = 3 A; SOT223).

ИЗДЕЛИЯ

Технологии

Чтобы понять первопричины разработки новых транзисторов, нам необходимо заглянуть внутрь компонента.
Рисунок 1 показывает упрощённый поперечный разрез биполярного N-P-N транзистора, а рисунок 2 - топологию кристалла.

Рис. 1

Рисунок 1: Упрощенный поперечный разрез биполярного N-P-N транзистора.

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

Рис. 2

Рисунок 2: Топология кристалла биполярного N-P-N транзистора (BC337/BC817).

Рис. 3

Рисунок 3. Топология кристалла с ячеистым эмиттером BISS транзистора 1-го поколения.

Рис. 4

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

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

Рис. 5

Рисунок 5: Стандартное расположение выводов.

Рис. 6

Рисунок 6: Расположение выводов в корпусе SOT457 (SC-74) (достигается максимальная площадь кристалла).

Улучшенные характеристики

У транзисторов, выполненных по описанной выше BISS технологии, улучшены электрические характеристики и, как следствие, снижена рассеиваемая мощность по сравнению с обычными транзисторами. За счет этого достигается уменьшение габаритов кристалла и, как следствие, уменьшение размеров 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-х амперный транзистор в корпусе SOT223. SOT23 был выбран, потому что это самый распространённый SMD корпус для дискретных полупроводниковых прибора, а SOT223 - стандартный корпус для транзисторов средней мощности.

Сопоставив таблицу 4 и таблицу 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 максимальный 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, как и его обычный транзистор, рассеивает меньше тепла

Например, фактическое рассеяние мощности на 65 % ниже, чем у обычного транзистора.

Рис. 7

Рисунок 7: Температура перехода понижается от 117 °C до 40 °C.

Таким образом, применение BISS транзисторов позволяет избежать мест локального перегрева на печатной плате. Схема становится более надёжной 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 - до 5 A, величина, ранее не достижимая для этого корпуса.

Для малосигнальных приложений (ток коллектора до 0,5 А) рекомендуется BISS транзистор PBSS2540F, имеющий размеры 1,6х0,8 мм в корпусе SOT490 (SC-89).

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

Таблица 1: Максимальный ток коллектора для BISS транзисторов и обычных транзисторов

Размер корпус IК max BISS Обычный IК max
1608 SOT490 (SC-89) 0.5 A PBSS2540F BC847BF 0,1 A
1612 SOT666 1 A PBSS4140V нет аналога
2012 SOT323 (SC-70) 1 A PBSS4140U BC817W 0,5 A
2012 SOT363 (SC-88) 2 A PBSS4240Y нет аналога
2913 SOT23 2 A PBSS4240T BC817 0,5 A
2915 SOT457 (SC-74) 3 A PBSS4350D нет аналога
6335 SOT223 (SC-73) 5 A PBSS4540Z BDP31 3 A

Главная причина уменьшения рассеиваемой мощности - уменьшение напряжения насыщения UКЭmax. По сравнению с обычным 0.5 А транзистором в корпусе SOT23 напряжение насыщения понижено на 73 %. Следующее поколение BISS транзисторов будет иметь ещё меньшее напряжение насыщения.

Таблица 2: напряжение насыщения некоторых транзисторов.

Технология тип UКЭmax при IК = 0,5 А
Обычный BC817-40 220 мВ типовое
BISS 1-ого поколения PBSS4140T 130 мВ типовое
BISS 2-ого поколения PBSS4350T 60 мВ типовое

На рисунке 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 для BC817-40. Напряжение насыщения транзистора PBSS4350T на 60 - 70 % меньше, чем у BC817-40.

Рис. 8

Рисунок 8: Типовые величины напряжения насыщения для малосигнальных транзисторов.

На рисунке 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.

Рис. 9

Рисунок 9: Типовые величины напряжения насыщения для мощных транзисторов.

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 обычный транзистор 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 рисунке 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.

Рис. 10

Рисунок 10: Зависимость напряжения насыщения от тока базы.

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. Рисунок 11 показывает зависимость коэффициента усиления от тока коллектора транзисторов BC817-40 и PBSS4350T.

Рис. 11

Рисунок 11: Типовое усиление по постоянному току малосигнальных транзисторов.

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 приведён в таблицах 3 и 4. Средняя колонка содержит общие данные рекомендованных транзисторов, а левая и правая колонки включают данные BISS транзисторов.

Таблица 3. Применение BISS транзисторов позволяет увеличить ток коллектора в данном корпусе или уменьшить размер корпуса.

Тип транзистора

PBSS2540F BC817-40 PBSS4350T
Тип корпуса SOT490(SC-89) SOT23 SOT23
Размер корпуса 1,6х0,8 2,9х1,3 2,9х1,3 мм
Ток коллектора IК 0,5 0,5 3 А
Максимальный ток коллектора IКmax 1 1 5 А
Напряжение коллектор-эмиттер UКЭmax 40 45 50 В
Рассеиваемая мощность Pmax 250 250 300 480* мВт


мин. тип. макс. мин. тип. макс. мин. тип. макс.
Коэффициент усиления IК =0.5 A h21э 50 130 - 40 130 600 300 580 -
IК =2 A 200 360 -
Напряжение насыщения IК =0.5 A UКЭнас - 200 250 - 200 700 - 60 80 мВ
IК =2 A - - - 200 260 мВ
Эквивалентное сопротивление IК =0.5 A RКЭнас - 400 500 - 400 1400 - 120 160 мОм
IК =2 A - - - 100 130 мОм

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

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

Тип транзистора PBSS4350Z BDP31 PBSS4540Z
Тип корпуса SOT223 SOT223 SOT223
Размер корпуса 6,5х3,5 6,5х3,5 6,5х3,5 мм
Ток коллектора IК 3 0,5 3 А
Максимальный ток коллектора IКmax 5 1 5 А
Напряжение коллектор-эмиттер UКЭmax 50 45 50 В
Рассеиваемая мощность Pmax 1,35* 2** 1,35* 1,35* 2** Вт
мин. тип. макс. мин. тип. макс. мин. тип. макс.
Коэффициент усиления IК =0.5 A h21э 200 335 - 40 75 - 300 500 -
IК =2 A 100 195 - 20 55 - 250 450 -
IК =5 A - - 100 350
Напряжение насыщения IК =0.5 A UКЭнас - 60 90 - 100 300 - 30 90 мВ
IК =2 A - 200 290 - 310 700 - 90 150 мВ
IК =5 A - - - 210 355 мВ
Эквивалентное сопротивление IК =0.5 A RКЭнас - 120 180 - 200 600 - 60 180 мОм
IК =2 A - 100 145 - 155 350 - 45 75 мОм
IК =5 A - - - 42 71 мОм

* Транзистор имеет тепловой контакт с медной площадкой на печатной плате размером 1 кв. см.
** Транзистор имеет тепловой контакт с медной площадкой на печатной плате размером 6 кв. см.

В таблице 5 приведены величины рассеиваемых мощностей различными корпусами.

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

Размер корпус Pmax (мВт) Pmax (мВт) Pmax (мВт) BISS
основание транзистора 1 cm2 6 cm2 транзистор
1608 SOT490 (SC-89) 250 PBSS2540F
1612 SOT666 250 300 PBSS4140V
2012 SOT323 (SC-70) 250 350 PBSS4140U
2012 SOT363 (SC-88) 270 430 PBSS4240Y
2913 SOT23 250 480 PBSS4240T
2915 SOT457 (SC-74) 600 750 PBSS4350D
6335 SOT223 (SC-73) 1350 2000 PBSS4540Z
SOT54 (TO-92) 830 PBSS4350S

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

Рис. 12

Рисунок 12: Типовые напряжения насыщения для 15 В PBSS2515F и 40 В 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 равном 3 А снижение коэффициента усиления всего 10%, тогда как у PBSS4350Z (Imax=3 А) снижение - 70% (Смотрите рисунок 13).

Рис. 13

Рисунок 13: Развитие BISS транзисторов: 5 A транзистор PBSS4540Z имеет более высокое усиление по току, чем 3 A PBSS4350Z.

Заключение

Преимущества BISS транзисторов:

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

 

! Полное или частичное копирование материалов допускается только с разрешения ООО "Дектел Электроникс"

О Компании Новости Каталог Аналоги Прайс-лист Вверх
© Дектел Электроникс
127322, Москва, ул.Милашенкова, д.22
Схема проезда...
E-mail: info@dectel.ru
Скачать прайс лист: DectelPrice.zip
Тел./факс: +7(495)610-6591, +7(495)610-8863,
+7(495)610-9180, +7(495)610-9443
radionet
ChipFind - поисковая система по электронным компонентам Рейтинг@Mail.ru