MOSFET oder bipolarer Transistor? - All

TECHNIKSZENE
Es kommt auf die Anwendung an...
MOSFET oder bipolarer Transistor?
Weiterentwicklungen im Bereich der Bipolar-Technologie haben dazu geführt, dass bipolare Transistoren wieder zu direkten Rivalen der MOSFETs geworden sind. Bipolare Bausteine sind den MOSFETs sogar in vielen Anwendungen überlegen. Daher ist es wichtig, die Kenndaten der Bauelemente sowie die Vorteile jeder einzelnen Technologie genau zu
studieren. Nur so lässt sich die beste Systemleistung erzielen. elektronik industrie erklärt, worauf es dabei ankommt.
In den meisten Fällen betrachten Entwickler
heutzutage zuerst den On-Widerstand
(RDS(on)) bei einer vorgegebenen Durchbruchspannung. Trench-MOSFETs weisen
einen niedrigeren RDS(on) auf, weil sie eine
höhere Kanaldichte ermöglichen. Die Ergebnisse sind vor allem bei niedrigen Durchbruch-Spannungen spektakulär, aber der
Stromfluss bleibt auf die engen Kanal-Regionen konzentriert. MOSFETs für höhere
Spannungen haben aber ebenso mit dem
hohen Widerstand der dünn dotierten
Drain-Region zu kämpfen, so dass der OnWiderstand typischerweise proportional zur
Durchbruchspannung UBr ansteigt:
RDS(on) ~ (UBr)2,6
Man sollte wissen, dass bei ordnungsgemäßer Ansteuerung und bezogen auf die
gleiche Chipfläche bipolare Transistoren
mindestens den gleichen – wenn nicht einen besseren – On-Widerstand aufweisen
als MOSFETs (siehe Bild 1). Durch Optimierung der Prozess-Technologie und des
Chip-Layouts werden die Spannungsverhältnisse sowie der Stromfluss gleichmäßig über die Chipfläche verteilt, und
damit das Silizium effizient genutzt. Bipolare Transistoren profitieren außerdem
von der Möglichkeit, die Leitfähigkeit der
widerstandsbehafteten Kollektor-Region zu
beeinflussen, wenn sie als gesättigte Schalter betrieben werden. Dadurch verringert
sich der RCE(sat) (Kollektor-Emitter-Widerstand in gesättigtem Zustand) signifikant. Bei MOSFETs gibt es keinen derartigen Leitfähigkeits-Mechanismus und genau
in ein SOT-23-Gehäuse passt.
Ein MOSFET mit ähnlicher Spannungsfestigkeit weist einen
derart hohen spezifischen OnWiderstand und schlechte
Stromleit-Fähigkeiten auf, dass
zur Unterbringung der erforderlichen Chipfläche beispielsweise ein D-PAK oder ein anderes entsprechend großes
Bild 1: Spezifischer On-Widerstand eines 20-V-Elements.
Gehäuse nötig ist. Außerdem
sollte man nicht vergessen, dass
hier liegt einer der Vorteile der bipolaren
bipolare Transistoren die Spannung in zwei
Transistoren. Der lineare Graph in Bild 2
Richtungen sperren - und zwar entsprezeigt die Beziehung zwischen Durchbruchchend der im Datenblatt angegeben WerSpannung UBr und Kollektor-Emitter-Sätte für BVEBO und BVECO. Gerade wenn diese bidirektionale Funktionalität benötigt
tigungsspannung der Transistor-Serie der
wird, lässt sich eine zusätzlich benötigte Sedritten Generation von Zetex. Sie lautet
rien-Diode oder ein antiparallel geschaltetes
etwa:
MOSFET-Paar einsparen und die daraus
resultierenden Leitungsverluste entfallen
RCE(sat) ~ (UBr)2
(Siehe Anwendungsbeispiel 1).
Der Unterschied der beiden Exponenten in
Temperaturabhängigkeit
den vorangegangenen Formeln unterEin weiterer wichtiger Faktor bei der Erstreicht den Vorteil, den bipolare Transismittlung des Schaltverhaltens ist die
toren durch ihren spezifisch günstigeren
Temperaturabhängigkeit des HalbleiterFlächenwiderstand im Vergleich zu MOSschalters. Da die Verstärkung bipolarer
FETs bei ansteigenden DurchbruchspanTransistoren mit der Temperatur ansteigt,
nungen aufweisen. So hat beispielsweise
gleichzeitig aber die UBE-Komponente von
der mit 450 V spezifizierte npn-Transistor
UBE(sat) verringert, ist der Wert des RCE(sat) bei
FMMT459 bei 150 mA einen typischen
bipolaren Transistoren in der Regel halb
RCE(sat) von lediglich 1,4 Ω, wobei der Chip
so groß wie der RDS(on) eines äquivalenten
MOSFETs. Diese Eigenschaft führt dazu,
dass Bipolar-Transistoren bei hohen Stromdichten und/oder höheren Dauerströmen
kühler arbeiten als MOSFETs mit vergleichbarer Chipfläche.
˘ AUTOR
Ansteuerung
Peter Blair arbeitet als
Discrete Product Development Manager bei Zetex plc in Großbritannien.
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Bild 2: Durchbruchspannung über RCE(sat) bei
den Bausteinen der dritten Transistor-Generation von Zetex.
Zweifellos unterscheiden sich Bipolar-Transistoren und MOSFETs am meisten durch
die Art der Ansteuerung. Bei sorgfältigen
Vergleichen zwischen den beiden Techno-
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˙
KOMPAKT
Wichtig für Entwickler:
logien muss man daher auch die Ansteuert werden. Ironischerweise werden bisteuerungsbedingungen mit betrachten.
polare Transistoren oft als Treiber zur AnBipolare Transistoren benötigen beisteuerung von MOSFETs genutzt, wobei
spielsweise einen ausreichend hohen Baman die Hochstrom-Fähigkeiten sowie die
sis-Strom, um niedrigste RCE(sat)-Werte zu
hohe Schaltgeschwindigkeit der bipolaerreichen. Bei der Berechnung der Gesamtren Transistoren ausnutzt, um im linearen
Verlustleistung müssen die Verluste zur
Bereich zu arbeiten (siehe AnwendungsAnsteuerung der Basis mit einbezogen
beispiel 2). Wenn Bipolar-Transistoren als
werden. Bauteile mit hoher Verstärkung migesättigte Schalter betrieben werden, vernimieren derartige Verluste und die Tatlängern sich die Schaltzyklen auf Grund
sache, dass Bipolar-Transistoren weniger als
der notwendigen Ausräumzeit der Basis.
1 V zum vollständigen Einschalten beDieser Effekt begrenzt Anwendungen auf
nötigen sowie eine bessere Temperaturein paar hundert kHz.
Stabilität aufweisen, kann in NiederESD
spannungs-Anwendungen sowie in
MOSFETs sind bauartbedingt empfindlich
Applikationen mit Batteriebetrieb nützgegenüber ESD (Elektrostatische Entlalich sein. Im Gegensatz dazu benötigt ein
dung), so dass es zu katastrophalen AusMOSFET lediglich einen Gate-Strom zum Lafällen kommt, wenn von außen eine
den bzw. Entladen seiner Gate-Kapazitäten.
elektrostatische Ladung die DurchbruchBei Gleichstrombetrieb ist dieser Ansteuspannung des Gates übersteigt, und daerstrom natürlich vernachlässigbar. Die
durch die Zerstörung herbeigeführt wird.
Ansteuerungsspannung des Gates ist jeGeht man bei der Fertigung oder im Umdoch von enormer Bedeutung, um beim
gang mit MOSFETs ordentlich und sorgRDS(on) niedrigste Werte zu erzielen. Der
On-Widerstand steigt dramatisch an, wenn
fältig vor, kann man potentielle Ausfälle
die Ansteuerungs-Spannung in die Nähe
durch ESD fast vermeiden. Bipolare Trander Schwellenspannung des Gates kommt.
sistoren sind im Vergleich hierzu recht roAus diesen Gründen wurden für
den Ansteuerungs-Strom bzw.
die Ansteuerungs-Spannung
die höchsten praktischen Werte ausgewählt, um in Bild 1 den
fairsten Vergleich zwischen den
Bausteinen zu ermöglichen.
Als Majoritätsladungsträger
können MOSFETs bis über 1 MHz
schalten, wenn man sicherstellt,
dass sie von einer Schaltung
mit ausreichend hohem Treiberstrom zur Umladung der
parasitären Kapazitäten ange- Bild 3: Schaltbild eines typischen Linear-Ladegeräts.
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˘
˘
˘
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Trench-MOSFETs weisen vor allem
bei niedrigen Durchbruch-Spannungen einen geringen On-Widerstand
auf.
Je höher die Durchbruchspannung,
um so mehr Vorteile haben die bipolaren Transistoren im Vergleich zu
MOSFETs.
Bipolare Transistoren sperren in zwei
Richtungen, so dass man sich eine
zusätzliche Serien-Diode oder einen
zweiten, antiparallel geschalteten
MOSFET sparen kann.
Bipolar-Transistoren benötigen weniger als 1 V zum vollständigen
Einschalten. Andererseits ist die Ansteuerungsspannung des MOSFETGates von enormer Bedeutung für
einen niedrigen On-Widerstand.
MOSFETs sind bauartbedingt empfindlich gegenüber ESD.
bust und meistern Standard-ESD-Tests
nach dem Human-Body-Modell ohne
Schwierigkeiten.
Fazit
Letztendlich beeinflussen viele der hier
diskutierten Faktoren die Gesamtkosten
einer Schaltung. Mit dem Verständnis der
relativen Stärken und Schwächen der einzelnen Technologien lässt sich das optimale Preis-Leistungsverhältnis erzielen.
Als Zusammenfassung zeigt Tabelle 1 die
wichtigsten Unterschiede in den Parametern der konkurrierenden Technologien.
Anwendungsbeispiel 1: Batterieladung
Als erstes Anwendungsbeispiel soll eine
Schaltung zur Batterieladung im LinearModus dienen. Lineare Ladegeräte sind
einfach aufgebaut, klein und geben ˘
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keine elektromagnetischen Strahlungen
ab, so dass sie auch für „Low-Noise“-Umgebungen geeignet sind. Sie nutzen einen
externen Halbleiterwiderstand, um so den
Spannungsabfall zwischen der ungeregelten Eingangsspannung und der Batteriespannung zu erzielen. Dabei wird in diesem externen Bauelement eine hohe
Verlustleistung frei, die in Form von Wärme abgeführt werden muss. Weiter unten wird eine typische Schaltung für solch
ein lineares Ladegerät gezeigt, in dem der
ZXT13P20 von Zetex zum Einsatz kommt.
Die Leistungsverluste werden hauptsächlich von den Kollektor-Emitter-Verlusten
verursacht :
PD(CE) = ICHG * (UIN - UDCD - USENSE)
(W)
wobei gilt: USENSE = ICHG * RSENSE
(V)
Zu den Auswahlkriterien gehören auch
der Maximalstrom, die Stromverstärkung
sowie die Kosten für die Kühlung und für
das Gehäuse. In dieser Anwendung weisen
bipolare pnp-Transistoren auf Grund ihres bidirektionalen Sperrverhaltens Vorteile auf, während ein MOSFET eine in Reihe geschaltete Schottky-Diode benötigt,um
den Stromfluss von der Batterie zum Ladegerät durch die Substrat-Diode zu verhindern.
Anwendungsbeispiel 2:
MOSFET-Gate-Treiber
Hochstrom-MOSFETs mit niedrigem RDS(on)
können Gate-Kapazitäten aufweisen, die
Treiberströme von einigen Ampere benötigen, um das Bauelement bei hohen Frequenzen erfolgreich einsetzen zu können.
In der Regel steuern entsprechende Treiber
den MOSFET über einen Widerstand an,
so dass die Gate-Spannung einer charakteristischen RC-Zeitkonstante folgt. Diese
Zeit muss kurz genug sein, um den linearen Bereich ohne besondere Verluste zu
durchlaufen, darf aber auch nicht so kurz
sein, dass es EMV-Probleme gibt. Der durchschnittliche Gate-Strom beim Schalten ergibt sich folgendermaßen:
IG = Q/t, wobei gilt:
IG ist der durchschnittliche Gate-Strom,
Q ist die Gesamt-Ladung am Gate (QGS +
QGD) und t bezeichnet die Einschwing- bzw.
Abfall-Zeit (ton oder toff).
So benötigt ein typischer 100-V-MOSFET mit
35 mΩ etwa eine Ladung von 50 nC, so
dass für einen Schaltvorgang binnen 20ns
ein Gate-Strom von 2,5 A benötigt wird.
Zum Treiben des Gates bieten sich spezielle IC-Treiber, Logik-ICs, diskrete MOSFETs
und bipolare Transistoren an. Als Auswahlkriterien ziehen Entwickler meist die
Schaltgeschwindigkeit, Stromfähigkeit,
Stromverstärkung, Kosten und die Baugröße ins Kalkül. Im Rahmen dieser Optionen sind Bipolar-Transistoren sehr geeignet, weil sie ein schnelles Schalten im
Linear-Modus ermöglichen und dabei einen hohen Impuls-Strom bei hoher Stromdichte liefern, so dass sich kleine Abmessungen und geringe Kosten ergeben.
Bild 4: Gegentakt-Treiberstufe für einen PowerMOSFET
Eine der beliebtesten und kostengünstigsten Ansteuerschaltungen ist ein nichtinvertierender bipolarer Gegentakt-Treiber,
wie er in Bild 4 dargestellt ist. Wenn der
MOSFET in diesem Beispiel mit einer Treiberspannung von 5 V bei 1 MHz schalten
muss, dann ergibt sich die abgegebene
maximale Verlustleistung pro Treiber-Transistor annähernd wie folgt:
PD = ((Udrive * I * t * f) / 2) + (UB * (IC / HFE))
* Duty Cycle
= ((5 * 2,5 * 2*10-8 * 1 * 106) / 2) + ((0,8 *
8,3 * 10-3) * 0,02)
= 125,1 mW
Wenn man davon ausgeht, dass der Basisstrom durch Udrive geliefert wird, dann
lassen sich die Verluste pro Transistor etwa
so beziffern:
PD = ((Udrive * I * t * f) / 2) + (Udrive * (IC /
HFE)) / * Duty Cycle
= ((5 * 2,5 * 2*10-8 * 1 * 106) / 2) + ((5 *
8,3 * 10-3) * 0,02)
= 125,8 mW
Eigenschaft
Bipolar-Transistor
MOSFET
On-Widerstand
Exzellent: bis zu 50% geringer als
beim besten MOSFET (abhängig
vom verfügbaren Treiberstrom)
Gut bei voller Sättigung, moderat bei
geringer Gate-Ansteuerung
Sperrspannung
Sperrt in beide Richtungen. BUCES,
BUCEV oder BUCBO können für einige
Anwendungen angemessen sein.
Sperrt nur in eine Richtung. Kann in
einigen Anwendungen eine in Reihe
geschaltete Schottky-Diode oder zwei
antiparallel geschaltete MOSFETs erforderlich machen.
Impulsstrom
Hoch
Moderat
Ansteuer-Spannung
Unter 1 V
1,8 V bis 10 V; Abhängig vom Typ
Temperatur-Stabilität
Exzellent:
UBE: etwa 2 mV/°C
RCE(sat): etwa 0,38 %/°C
Moderat:
Uth: etwa 4 bis 6 mV/°C
RDS(on): etwa 0,64 %/°C
Ansteuer-Leistung
Moderat
DC und niedrige Frequenz: Exzellent
Hohe Frequenzen: Moderat
˙
Geschwindigkeit
Schnell
Sehr schnell
KONTAKT
ESD-Empfindlichkeit
Sehr robust und unempfindlich
Empfindlich
Preis pro Silizium-Fläche
Vergleichbar
Vergleichbar
Da beide Bauteile nur 251,6 mW abgeben
sind kleine oberflächenmontierbare Transistoren ideal. Dies gilt besonders, wenn sie
bei Anbietern wie Zetex als komplementäres Paar in einem Gehäuse untergebracht sind.
(av)
Zetex
Kennziffer 427
www.zetex.com
Tabelle 1: Unterschiede in den Parametern von MOSFETs und bipolaren Transistoren.
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