CC BY
69Компоненты и технологии, № 7'2003 Компоненты
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 развиваться, конкурирует, а в ряде приложений и превосходит МОП-технологию. Именно поэтому очень важно сравнить характеристики и выявить преимущества каждой из технологий.
Андрей Абрамов
abramov@microem.ru Анна Раченкова
anna.ratchenkova@microdis.net
оч
сновная 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:
(1)
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(sаt). 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:
Rce(sat) х BV2
(2)
О
О. .
1000
о
£
і-----1-----1-----1-----1-----1-----1
GP SSI SS2 SS3 Gen4 Gen5 Gen6 Поколение биполярной технологии
Рис. 1. Зависимость удельного сопротивления от поколения транзистора (для приборов 20 В)
35000 30000 N 25000 > 20000 15000 10000 5000 0
Среднее значение Rce(sati (мОм)
0 20 40 60 80 100
Рис. 2. Зависимость напряжения пробоя от сопротивления Rce(sat) 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, ОТ^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 не-------www.finestreet.ru------------------------------
Компоненты и технологии, № 7'2003
Компоненты
Таблица 1. Сравнение параметров между МОП и биполярными транзисторами
Характеристика Биполярный транзистор МОП-транзистор
Сопротивление Отлично — до полутора раз лучше, чем у МОП, зависит от управляющего тока. Хорошо в целом. Удовлетворительно при низковольтном управлении.
Блокировка напряжения Блокировка в двух направлениях. Блокировка в одном направлении, может быть востребован последовательно диод Шотки или компенсирующая МОП-пара.
Пиковый ток Высокий Высокий
Управляющее напряжение < В От 1,8 до 10 В, зависит от оптимизации технологии
Температурная стабильность Отлично: УЬе в среднем 2 мВ на 1 °С в среднем 0,38% на 1 °С Удовлетворительно: У№ в среднем 4-6 мВ на 1 °С ^5|оп| в среднем 0,64% на 1 °С
Энергия управления Удовлетворительно При постоянном токе: отлично. При высокой частоте: удовлетворительно.
Скорость Высокая Очень высокая
Чувствительность к БЭР Устойчивы Чувствительны
Цена на единицу площади кремния Сравнима Сравнима
обходимо использовать корпус типа Б-РЛК, 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 БУеЬо и БУесо. 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 УЬе, которое является составляющей Усе(5й), то происходит увеличение сопротивления Исе(5аі) биполярного транзистора, которое в общем случае составляет половину аналогичного сопротивления Иа5(оп) 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 Ясе(8а1), 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 Иа5(оп), и сопротивление канала очень быстро возрастает, когда
-------------------www.finestreet.ru-
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 включения-выключения, 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 кол-лектор-эммитере.
Pd
(CE)
!chg x (vin vi
DCD
V
SENSE
),
где УвЕШЕ = !СНС Х КеИС.
Критерии выбора элементов для схемы включают в себя значение максимального протекающего тока, коэффициент усиления по току, цену и потери на корпусе. Биполярные РЫР-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-тран-зистора
Высокотоковые МОП-транзисторы с низким И^оп) 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 ИС. Это время должно быть достаточно мало, чтобы находиться в линейной зоне для избежания до-
SUPPLY >-
CIN
ZXT13P12DE6
NCP1800
=> VCC О SYS
CFLG VSYS
COMP/DIS Q ISEL
и
4= Q
RCOMP
-1-ССОМР
RSENSE
-СП—
RSEL
п
соит
LI-ION
Рис. З. Схема линейного зарядного устройства
43
Компоненты и технологии, № 7'2003
Компоненты
полнительных потерь, но и не настолько коротким, чтобы спровоцировать электромагнитные помехи.
Средняя величина тока затвора во время включения может быть вычислена по формуле:
і8 = ол,
где ^ — средняя величина тока затвора; О — суммарный заряд затвора (О + О^) ; 1 — время переключения (1оп или ^).
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 спе-
циализированные 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:
Ра = ((Уагіте х I х 1 х ^ - 2) +
+ (УеЬ Х (ІС ЬрЕ)) - 2 =
= ((5 Х 2.5 Х 2Е-8 Х 1Е6) - 2) +
+ ((0.8 х 8.3Е-3) - 2)
= 128 (мВт)
Допуская, что величина тока базы зависит от управляющего напряжения Уагіїе, общие потери управляющей цепи составляют
Ра = ((Уагіуе Х I Х 1 Х ^ - 2) +
+ (Уагіте х (ІС ЬРЕ)) - 2 =
= ((5 х 2.5 х 2Е-8 х 1Е6) - 2) +
+ ((5 х 8.3Е-3) - 2)
= 146 (мВт)
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 2е1ех.
44
- www.finestreet.ru -
