經(jīng)典 BJT 的最新改進表明，經(jīng)典晶體管還有很長的使用壽命，可以在某些功率應用中挑戰(zhàn) SiC 和 GaN 器件。
在 CMOS 和寬帶隙半導體技術的進步中，您很容易忘記 William Shockley 于 1949 年發(fā)明的第一個晶體管是雙極結型晶體管 (BJT)。盡管它們已經(jīng)不再流行，但這些不起眼的設備仍然在各種類型的電子設備中大量高效可靠地運行。事實上，在某些應用中，BJT 的性能可以超越更杰出的 CMOS 同類產(chǎn)品。 BJT 技術的最新改進將使它們成為半導體技術領域的重要組成部分。
低飽和電壓
與 MOSFET 相比，BJT 的一些固有缺點包括需要連續(xù)的基極電流和集電極-發(fā)射極端子之間更高的飽和電壓。然而， “低 VCEsat”BJT 的高電流增益 (hFE) 和低飽和電壓 (VCEsat)降低了基極電流驅動和功耗，從而使其成為以下應用中 MOSFET 的可行替代品。
負載開關
圖 1顯示了負載開關的常見版本，其中負載接地，并且正電源電壓打開和關閉。 BJT 的固有特性可阻止從輸出到輸入的反向電流。如果您在充電器應用中使用負載開關，這是一個重要的功能;例如，連接到輸出端子的電池在關閉時不得將電流饋入輸入電源。如果負載晶體管是 p 溝道 MOSFET(而不是 BJT)，體二極管可能會傳導反向電流以防止這種情況發(fā)生。您將需要一個額外的二極管或第二個 FET，這會增加額外的成本。因為二極管的正向電壓會增加 FET 的R DSon損失，這種類型的負載開關的效率降低。
圖 1. 典型負載開關電路在負載路徑 (T1) 中使用低 VCEsat PNP BJT 和通用控制晶體管 (T2)。
使用 BJT 的另一個優(yōu)點是它只需要很小的控制電壓。 BJT 的基極-發(fā)射極二極管正向電壓約為 0.7V，只有很小的差異。另一方面，MOSFET 的柵源閾值可以具有更廣泛的值。這意味著您需要更大的控制電壓。
為了完全導通，MOSFET 還必須施加比柵源閾值更高的驅動電壓。如果您需要切換小電壓，則 p 溝道 MOSFET 可能會在負載路徑中產(chǎn)生問題。在此應用中使用低V CEsat BJT 的另一個優(yōu)點是其卓越的 ESD 穩(wěn)健性。
低壓差穩(wěn)壓器
線性穩(wěn)壓器系列中存在一個稱為低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 的子組。雖然基于 NPN BJT 的標準線性穩(wěn)壓器要求其輸入和輸出電壓之間至少有V CEsat + V BE的余量，但使用 PNP BJT 實現(xiàn)的 LDO 所需的余量僅為V CEsat。使用低V CEsat BJT 有助于將這個凈空保持在非常小的水平。圖 2 (a) 顯示在負載路徑中使用 NPN BJT 的 LDO，而圖 2 (b) 使用 PNP BJT。這些線性穩(wěn)壓器效率高，是電池供電應用的最佳選擇。低V CEsat的高正向增益BJT 提高了效率，因為它們需要低驅動電流。
圖 2. 這些 LDO 示例展示了如何使用 (a) 低 VCEsat NPN-BJT 和 (b) VCEsat PNP-BJT 作為傳輸晶體管。
設備匹配仍然重要
在許多電子電路中，如果 BJT 器件參數(shù)的精確值位于指定范圍內(nèi)，則它們的精確值并不特別重要。然而，許多應用需要參數(shù)彼此緊密匹配的 BJT。雖然許多半導體制造商提供參數(shù)具有嚴格公差的單獨 BJT，但它們可能仍然無法提供必要的匹配水平，尤其是當應用的工作溫度升高時。因此，您可能需要配對。
用于偏置的電流鏡
如圖 3所示，電流鏡電路通常用作電流源來“偏置”(設置工作點)其他應用電路(例如放大器或比較器)。假設兩個晶體管相同且 R1 = R2，I OUT將精確復制 I IN。這在數(shù)學上表示為：
圖 3. 該電流鏡電路使用分立 BJT Q1 和 Q2。
對于完美匹配的對，R1 和 R2 的選定值之間的比率設置k1的值。 I OUT還應在設計所需的輸入電流值范圍內(nèi)跟蹤 I IN 。然而，BJT 物理特性的微小差異可能會導致不必要的偏差，從而使精確定義鏡像電路偏置的應用行為變得更加困難。
電流檢測
電動汽車 (EV) 或輕度混合動力汽車 (HEV) 等較新的應用要求在靠近電池的地方感測從電池汲取的負載電流。感測電流必須轉換為模數(shù)轉換器 (ADC) 或微控制器 (MCU) 輸入范圍內(nèi)的電壓。因此，它必須很小，并且必須提供相對于地的電壓。這可以使用電流檢測電路來完成，如圖4 所示，其中 V1 代表 48 V 電池電壓，I1 是從中汲取的負載電流。該電路基于兩個電流鏡——一對 NPN BJT 和另一對 PNP。負載通過 50 mΩ 電流檢測電阻連接到電池。對于 10 A 的最大負載電流，檢測電路的輸入電壓將為 0.5 V。每個電流鏡對中的 BJT 應盡可能緊密匹配，以防止輸出電壓發(fā)生偏移。您可能需要進行微調以確保電壓保持在 ADC 的輸入范圍內(nèi)以實現(xiàn)匹配。
圖 4. 該電流檢測電路同時使用 NPN 和 BJT 電流鏡。
對于這些應用中的每一個，您都應該使用雙 BJT，它們是組裝在單個封裝中的兩個芯片。兩個芯片的接近度確保了它們的溫度被幾乎相同地跟蹤。此外，使用從同一晶圓區(qū)域采集的匹配器件可以最大限度地減少制造過程中可能導致電氣參數(shù)出現(xiàn)重大差異的偏差的可能性。這意味著它們的參數(shù)具有幾乎相同的值，確保幾乎完全對稱的行為。匹配對晶體管消除了電流鏡和差分放大器應用中昂貴的調整的要求，與標準雙晶體管相比，它們確保了精確的基極-發(fā)射極電壓和電流增益匹配，并且內(nèi)部完全隔離。
電壓和電流源
穩(wěn)定的電壓或電流源是大多數(shù)電子應用的關鍵要求，雖然許多集成解決方案提供這些功能，但它們可能很昂貴。值得慶幸的是，您仍然可以使用分立 BJT 快速且經(jīng)濟地實現(xiàn)這些功能。
電壓調節(jié)
開關穩(wěn)壓器廣泛用作電源，但應用中仍需要線性調節(jié)以減少電磁干擾 (EMI) 和電壓紋波。例如，為專用芯片 (ASIC)、微控制器 (MCU)、應用處理器和傳感器供電時。這就是為什么在電源模塊中，線性穩(wěn)壓器通常位于開關穩(wěn)壓器之后。與開關穩(wěn)壓器不同，輸入和輸出功率之間的差異在 BJT 等傳輸晶體管中消散，如圖5所示. 為了減少這些功率損失，線性調壓器主要用于輸入和輸出電壓差很小或只需要小輸出電流的應用。圖5顯示了一個具有反饋調節(jié)的基本線性調節(jié)器，其中PNP BJT驅動NPN通過晶體管。
圖5.基本線性調節(jié)器通常使用NPNBJT將電流傳遞給負載。
整個BJT輸出級的最小電壓降是PNP晶體管的發(fā)射極-集電極飽和電壓和NPN的基極-發(fā)射極結的電壓降之和：
誤差放大器使用電阻分壓器跟蹤輸出電壓并對其進行調節(jié)。誤差放大器將此反饋電壓與參考電壓 (VREF) 進行比較，并相應地調整 PNP-BJT 基極驅動，進而調整傳輸晶體管的驅動。這樣，如果反饋電壓超過參考電壓，誤差放大器就會降低基極電流，反之亦然。
電流穩(wěn)定
LED燈串等負載不能直接連接到恒壓源——它們需要穩(wěn)定的電流。出現(xiàn)這種情況的原因是 LED 的正向電壓與溫度相關且具有負熱系數(shù)。因此，電流將由于自加熱和/或環(huán)境溫度升高而持續(xù)增加。這最終可能導致熱失控，從而可能損壞燈串中的 LED。圖 6顯示了如何使用 NPN 實現(xiàn)簡單的電流吸收器或使用 PNP BJT 實現(xiàn)電流源：
圖 6. 基于 BJT 的電流吸收器和電流源，可產(chǎn)生穩(wěn)定電流并消除熱失控。
這里，輸出電流由下式給出：
不幸的是，輸出電流的穩(wěn)定性受到V BE負溫度系數(shù)的影響，該系數(shù)約為 -2 mV/K，這意味著輸出電流隨溫度的變化為：
您可以通過使用 PN 或齊納二極管來替換基極偏置電路中的接地電阻來部分補償這一點。使用齊納二極管的好處是 I OUT獨立于 VCC，從而提高了其對電源電壓紋波的抗擾度。通過將 BJT 與基極驅動控制器(并聯(lián)穩(wěn)壓器)相結合，提供精確的熱補償控制環(huán)路，可以實現(xiàn)非常精確的電流穩(wěn)定。
通過熱模型獲得額外洞察
預測分立 BJT 及其封裝的熱行為對于某些應用至關重要，這可以使用Foster 和 Cauer RC 模型的熱阻抗來實現(xiàn)。
福斯特模型
BJT 的 Foster 熱模型是通過半經(jīng)驗擬合Z th曲線得出的，從而形成如圖 7所示的一維 RC 網(wǎng)絡。請注意，F(xiàn)oster 模型的 R 和 C 值與物理設備上的實際位置無關。模型參數(shù) R i和 C i是熱阻和電容值，用于創(chuàng)建熱模型以計算設備的熱阻抗。制造商通常為其 BJT 提供熱模型，您可以使用軟件仿真工具來驗證器件行為。
圖 7. BJT 的 Foster RC 熱模型。
考爾模型
圖 8. BJT 的 Cauer RC 熱模型，其中接地符號表示環(huán)境溫度。
RC 網(wǎng)絡也代表 Cauer 模型，但與 Foster 模型不同，熱電容連接到熱地(環(huán)境溫度位置)，如圖 8所示，并且它們也具有物理意義，這使得它們可以用于確定溫度半導體結構內(nèi)的內(nèi)層。使用 Cauer 模型的一個優(yōu)點是，它可以將外部組件添加到器件模型中，例如 PCB、散熱器等的熱模型，這是使用 Foster 模型不可能實現(xiàn)的。
結論
雖然 CMOS 和寬帶隙半導體技術已經(jīng)成為眾人矚目的焦點，但雙極結型晶體管在許多電子應用中仍然是無名英雄。在一些關鍵應用中，它們甚至優(yōu)于更杰出的同行。本文回顧了其中一些用例。它展示了 BJT 技術的進步如何確保這些多功能設備不太可能很快從電子領域消失。
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