双极结型晶体管——MOSFET的挑战者

0   引言

数字开关通常使用MOSFET 来创建，但是对于低饱和电压的开关模型，双极结型晶体管已成为不容忽视的替代方案。对于低电压和低电流的应用，它们不仅可以提供出色的电流放大效果，还具有成本优势（图1）。

图1 双极结型晶体管可为移动设备提供更长的使用寿命 图源：IB Photography/Shutterstock

在负载开关应用中，晶体管需要精确地放大基极电流，使输出电压接近零，以便仅测量晶体管的饱和电压。MOSFET 通常用于这项用途，因为它们不需要任何底层控制器作为电压控制组件。另一方面，双极结型晶体管（BJT）是需要能够连续传输电流的底层控制器的电流控制组件。不过，具有更高的电流增益（hFE）和更低的饱和电压（V_CE(sat)）的双极结型晶体管可以实现更低的基极电流。它们较高的电流增益降低了基极电流的要求，由此可以由单片机直接开关。例如，如果晶体管需要传导1 A 电流并且电流增益为100，则基极电流至少需要10 mA，以确保晶体管饱和。如果晶体管可以提供500 的电流增益，则2 mA 电流就足够了。而且，双极结型晶体管还可通过基极偏置电阻器和基极- 发射极电压（VBE）大大减少损耗。如果晶体管用作低频开关，则较低的饱和压降可以减少集电极- 发射极的功耗，并在标准化芯片表面上实现更高的集电极电流（I_C）。因此，对于全导通状态，低饱和电压双极结型晶体管只需要0.3 ～ 0.9 V 的低基极- 发射极电压，非常适合低压开关应用。控制电压适用于整个工作温度范围。如果双极结型晶体管用作饱和开关，还会影响集电极区域的电导率，从而在饱和时大幅降低集电极-发射极的电阻（R_CE(sat)）。MOSFET 则不具有这种电导率影响，但这确实增加了基极的反向恢复时间，意味着开关周期变得更长。由于渡越频率的缘故，双极结型晶体管只能用于涉及几百kHz 频率的应用。使用渡越频率除以电流增益因数则产生截止频率。这被定义为电流增益降至–3 dB 的阈值（即0.707 因数）。因此在应用中与截止频率保持一定距离是很重要的。

1   延长移动设备的使用寿命

由于低饱和电压双极结型晶体管具有高增益性能，其效率也比常规的BJT 和MOSFET 更高，因此当与基极电阻器结合使用时，它们可以替代MOSFET 和肖特基二极管。这样提供了更长的电池充电使用寿命和降低的组件成本优势，尤其是在移动和/ 或电池供电应用（例如电动牙刷、剃须刀或手持式搅拌器）中。相比ESD 容限超过8 000 V 的MOSFET，双极结型晶体管对静电放电（ESD）的敏感性要低得多，并且它们还具有防止电压尖峰的内部保护功能。晶体管的增益随着温度的升高而进一步增加。同时，在最大允许基极电流下，基极- 发射极电压相对于正向电压（V_BE(sat)）的占比减小了。结果，对于BJT，饱和时的集电极- 发射极电阻（R_CE(sat)）低于相近MOSFET 的导通电阻（R_DS(on)）。与芯片表面积相同的MOSFET 相比，BJT 在较高的电流密度和/ 或在连续电流下产生的热量也较少。同样，在给定的负载电流下，饱和电压仍与功率损耗成比例。因此，低饱和电压双极结型晶体管具有较低的功率损耗，从而降低了散热需求。考虑到总体功率损耗，控制基极所产生的损耗是不容忽视的。当使用具有较高增益的低饱和电压双极结型晶体管时，它们也比较低。双极结型晶体管的另一个优点是它们可以在两个方向上截止，从而无需额外的反并联MOSFET。BJT晶体管也更便宜，相比MOSFET具有明显的成本优势。

2   高开关性能

BJT 可以提供优于最大允许功率损耗很多倍的开关性能，因为作为开关工作的晶体管具有两个固定的工作点。如果足够的基极电流流入第一个，将导致集电极电流闭合开关，这个开关两端仅存在残余电压降。由于第二工作点的基极电流为零，因此具有全部工作电压的晶体管用作阻断。两个工作点之间的过渡非常快速。这样可以将负载线放置在适当的位置，使得从导通到受阻晶体管（反之亦然）的过渡足够快速以穿过功率损耗双曲线，且不会发生得太频繁。固定工作点仅需位于双曲线的下方。由于BJT 能够在线性范围内进行非常快速的开关运作，并提供具有高电流密度的高脉冲电流，因此它们适合用作控制MOSFET 的驱动器。相比专用IC 驱动器解决方案，这可以减小尺寸并降低成本。

3   小组件、高性能

低饱和电压双极结型晶体管通常在SOT 封装中具有12 ～ 100 V 的最大集电极- 发射极电压（VCEO）和高达几安培的集电极电流。目前，世界上最小的双极结型晶体管采用了Diodes 的DFN0606-3 超小型封装。45 V NPN 小信号双极结型晶体管BC847BFZ 的占位面积仅为0.36 mm²，高度仅为0.4 mm，相比相近的DFN1006、SOT883 和SOT1123 组件体积减小了40%（如图2），并且性能优于外形更大的相近晶体管产品。这是因为无铅封装允许实现更高的功率密度，而热性能为135 ℃ /W。Diodes 的产品模型允许低压应用实现低于1 V 的电压开关操作，可让移动设备以最小的功率完全开启。它们具有100 mA 的集电极电流和925 mW 的功率损耗，特别适合智能手表、健身工具等可穿戴设备，以及智能手机和平板电脑等其他消费类设备。相对应的PNP 晶体管产品是BC857BZ。

图2 Diodes的45 V NPN小信号双极结型晶体管BC847BFZ相比同类DFN1006、SOT883和SOT1123组件体积减小40%，并具有更高的性能。图源：Diodes

4   结束语

对于许多电路应用而言，具有低饱和电压的BJT不仅可以替代MOSFET，而且还具有许多优势——例如导通电阻低、控制电压低于1 V、具有出色的温度稳定性以及对ESD 不敏感。由于BJT 可以在两个方向上阻断电流，因此可以省去第2 个MOSFET。低饱和电压双极结型晶体管的功率损耗和产生的热量输出较低，而且价格也比较低。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年9月期）