26 elektronik industrie 11 - 2004

TECHNIKSZENE

In den meisten Fällen betrachten Entwicklerheutzutage zuerst den On-Widerstand(RDS(on)) bei einer vorgegebenen Durch-bruchspannung. Trench-MOSFETs weiseneinen niedrigeren RDS(on) auf, weil sie einehöhere Kanaldichte ermöglichen. Die Er-gebnisse sind vor allem bei niedrigen Durch-bruch-Spannungen spektakulär, aber derStromfluss bleibt auf die engen Kanal-Re-gionen konzentriert. MOSFETs für höhereSpannungen haben aber ebenso mit demhohen Widerstand der dünn dotiertenDrain-Region zu kämpfen, so dass der On-Widerstand typischerweise proportional zurDurchbruchspannung UBr ansteigt:

RDS(on) ~ (UBr)2,6

Man sollte wissen, dass bei ordnungs-gemäßer Ansteuerung und bezogen auf diegleiche Chipfläche bipolare Transistorenmindestens den gleichen – wenn nicht ei-nen besseren – On-Widerstand aufweisenals MOSFETs (siehe Bild 1). Durch Opti-mierung der Prozess-Technologie und desChip-Layouts werden die Spannungsver-hältnisse sowie der Stromfluss gleich-mäßig über die Chipfläche verteilt, unddamit das Silizium effizient genutzt. Bi-polare Transistoren profitieren außerdemvon der Möglichkeit, die Leitfähigkeit derwiderstandsbehafteten Kollektor-Region zubeeinflussen,wenn sie als gesättigte Schal-ter betrieben werden. Dadurch verringertsich der RCE(sat) (Kollektor-Emitter-Wi-derstand in gesättigtem Zustand) signifi-kant. Bei MOSFETs gibt es keinen derarti-gen Leitfähigkeits-Mechanismus und genau

Es kommt auf die Anwendung an...

MOSFET oder bipolarer Transistor? Weiterentwicklungen im Bereich der Bipolar-Technologie haben dazu geführt, dass bipolare Transistoren wieder zu di-rekten Rivalen der MOSFETs geworden sind. Bipolare Bausteine sind den MOSFETs sogar in vielen Anwendungen über-legen. Daher ist es wichtig, die Kenndaten der Bauelemente sowie die Vorteile jeder einzelnen Technologie genau zustudieren. Nur so lässt sich die beste Systemleistung erzielen. elektronik industrie erklärt, worauf es dabei ankommt.

hier liegt einer der Vorteile der bipolarenTransistoren. Der lineare Graph in Bild 2zeigt die Beziehung zwischen Durchbruch-Spannung UBr und Kollektor-Emitter-Sät-tigungsspannung der Transistor-Serie derdritten Generation von Zetex. Sie lautetetwa:

RCE(sat) ~ (UBr)2

Der Unterschied der beiden Exponenten inden vorangegangenen Formeln unter-streicht den Vorteil, den bipolare Transis-toren durch ihren spezifisch günstigerenFlächenwiderstand im Vergleich zu MOS-FETs bei ansteigenden Durchbruchspan-nungen aufweisen. So hat beispielsweiseder mit 450 V spezifizierte npn-TransistorFMMT459 bei 150 mA einen typischenRCE(sat) von lediglich 1,4 Ω, wobei der Chip

in ein SOT-23-Gehäuse passt.Ein MOSFET mit ähnlicher Span-nungsfestigkeit weist einen derart hohen spezifischen On-Widerstand und schlechteStromleit-Fähigkeiten auf, dasszur Unterbringung der erfor-derlichen Chipfläche beispiels-weise ein D-PAK oder ein an-deres entsprechend großesGehäuse nötig ist. Außerdemsollte man nicht vergessen,dass

bipolare Transistoren die Spannung in zweiRichtungen sperren - und zwar entspre-chend der im Datenblatt angegeben Wer-te für BVEBO und BVECO. Gerade wenn die-se bidirektionale Funktionalität benötigtwird, lässt sich eine zusätzlich benötigte Se-rien-Diode oder ein antiparallel geschaltetesMOSFET-Paar einsparen und die darausresultierenden Leitungsverluste entfallen(Siehe Anwendungsbeispiel 1).

TemperaturabhängigkeitEin weiterer wichtiger Faktor bei der Er-mittlung des Schaltverhaltens ist die Temperaturabhängigkeit des Halbleiter-schalters. Da die Verstärkung bipolarerTransistoren mit der Temperatur ansteigt,gleichzeitig aber die UBE-Komponente vonUBE(sat) verringert, ist der Wert des RCE(sat) beibipolaren Transistoren in der Regel halbso groß wie der RDS(on) eines äquivalentenMOSFETs. Diese Eigenschaft führt dazu,dass Bipolar-Transistoren bei hohen Strom-dichten und/oder höheren Dauerströmenkühler arbeiten als MOSFETs mit ver-gleichbarer Chipfläche.

AnsteuerungZweifellos unterscheiden sich Bipolar-Tran-sistoren und MOSFETs am meisten durchdie Art der Ansteuerung. Bei sorgfältigenVergleichen zwischen den beiden Techno-

Bild 2: Durchbruchspannung über RCE(sat) beiden Bausteinen der dritten Transistor-Genera-tion von Zetex.

Bild 1: Spezifischer On-Widerstand eines 20-V-Elements.

AUTORPeter Blair arbeitet alsDiscrete Product Deve-lopment Manager bei Ze-tex plc in Großbritannien.

˘

elektronik industrie 11 - 2004 27

TECHNIKSZENE

logien muss man daher auch die An-steuerungsbedingungen mit betrachten.Bipolare Transistoren benötigen bei-spielsweise einen ausreichend hohen Ba-sis-Strom, um niedrigste RCE(sat)-Werte zuerreichen. Bei der Berechnung der Gesamt-Verlustleistung müssen die Verluste zurAnsteuerung der Basis mit einbezogenwerden.Bauteile mit hoher Verstärkung mi-nimieren derartige Verluste und die Tat-sache,dass Bipolar-Transistoren weniger als1 V zum vollständigen Einschalten be-nötigen sowie eine bessere Temperatur-Stabilität aufweisen, kann in Nieder-spannungs-Anwendungen sowie inApplikationen mit Batteriebetrieb nütz-lich sein. Im Gegensatz dazu benötigt einMOSFET lediglich einen Gate-Strom zum La-den bzw.Entladen seiner Gate-Kapazitäten.Bei Gleichstrombetrieb ist dieser Ansteu-erstrom natürlich vernachlässigbar. DieAnsteuerungsspannung des Gates ist je-doch von enormer Bedeutung, um beimRDS(on) niedrigste Werte zu erzielen. DerOn-Widerstand steigt dramatisch an,wenndie Ansteuerungs-Spannung in die Näheder Schwellenspannung des Gates kommt.Aus diesen Gründen wurden fürden Ansteuerungs-Strom bzw.die Ansteuerungs-Spannungdie höchsten praktischen Wer-te ausgewählt, um in Bild 1 denfairsten Vergleich zwischen denBausteinen zu ermöglichen.Als Majoritätsladungsträgerkönnen MOSFETs bis über 1 MHzschalten,wenn man sicherstellt,dass sie von einer Schaltungmit ausreichend hohem Trei-berstrom zur Umladung der parasitären Kapazitäten ange-

steuert werden. Ironischerweise werden bi-polare Transistoren oft als Treiber zur An-steuerung von MOSFETs genutzt, wobeiman die Hochstrom-Fähigkeiten sowie diehohe Schaltgeschwindigkeit der bipola-ren Transistoren ausnutzt, um im linearenBereich zu arbeiten (siehe Anwendungs-beispiel 2). Wenn Bipolar-Transistoren alsgesättigte Schalter betrieben werden, ver-längern sich die Schaltzyklen auf Grundder notwendigen Ausräumzeit der Basis.Dieser Effekt begrenzt Anwendungen aufein paar hundert kHz.

ESDMOSFETs sind bauartbedingt empfindlichgegenüber ESD (Elektrostatische Entla-dung), so dass es zu katastrophalen Aus-fällen kommt, wenn von außen eine elektrostatische Ladung die Durchbruch-spannung des Gates übersteigt, und da-durch die Zerstörung herbeigeführt wird.Geht man bei der Fertigung oder im Um-gang mit MOSFETs ordentlich und sorg-fältig vor, kann man potentielle Ausfälledurch ESD fast vermeiden. Bipolare Tran-sistoren sind im Vergleich hierzu recht ro-

bust und meistern Standard-ESD-Testsnach dem Human-Body-Modell ohneSchwierigkeiten.

FazitLetztendlich beeinflussen viele der hierdiskutierten Faktoren die Gesamtkosteneiner Schaltung. Mit dem Verständnis derrelativen Stärken und Schwächen der ein-zelnen Technologien lässt sich das opti-male Preis-Leistungsverhältnis erzielen.Als Zusammenfassung zeigt Tabelle 1 diewichtigsten Unterschiede in den Parame-tern der konkurrierenden Technologien.

Anwendungsbeispiel 1: BatterieladungAls erstes Anwendungsbeispiel soll eineSchaltung zur Batterieladung im Linear-Modus dienen. Lineare Ladegeräte sindeinfach aufgebaut, klein und gebenBild 3: Schaltbild eines typischen Linear-Ladegeräts.

Wichtig für Entwickler:˘ Trench-MOSFETs weisen vor allem

bei niedrigen Durchbruch-Spannun-gen einen geringen On-Widerstandauf.

˘ Je höher die Durchbruchspannung,um so mehr Vorteile haben die bipo-laren Transistoren im Vergleich zuMOSFETs.

˘ Bipolare Transistoren sperren in zweiRichtungen, so dass man sich einezusätzliche Serien-Diode oder einenzweiten, antiparallel geschaltetenMOSFET sparen kann.

˘ Bipolar-Transistoren benötigen we-niger als 1 V zum vollständigen Einschalten. Andererseits ist die An-steuerungsspannung des MOSFET-Gates von enormer Bedeutung füreinen niedrigen On-Widerstand.

˘ MOSFETs sind bauartbedingt emp-findlich gegenüber ESD.

˙

˘

KOMPAKT

28 elektronik industrie 11 - 2004

TECHNIKSZENE

keine elektromagnetischen Strahlungenab, so dass sie auch für „Low-Noise“-Um-gebungen geeignet sind. Sie nutzen einenexternen Halbleiterwiderstand, um so denSpannungsabfall zwischen der ungere-gelten Eingangsspannung und der Batte-riespannung zu erzielen. Dabei wird in die-sem externen Bauelement eine hoheVerlustleistung frei, die in Form von Wär-me abgeführt werden muss. Weiter un-ten wird eine typische Schaltung für solchein lineares Ladegerät gezeigt, in dem derZXT13P20 von Zetex zum Einsatz kommt.Die Leistungsverluste werden hauptsäch-lich von den Kollektor-Emitter-Verlustenverursacht :

PD(CE) = ICHG * (UIN - UDCD - USENSE) (W)

wobei gilt: USENSE = ICHG * RSENSE (V)

Zu den Auswahlkriterien gehören auchder Maximalstrom, die Stromverstärkungsowie die Kosten für die Kühlung und fürdas Gehäuse. In dieser Anwendung weisenbipolare pnp-Transistoren auf Grund ih-res bidirektionalen Sperrverhaltens Vor-teile auf, während ein MOSFET eine in Rei-he geschaltete Schottky-Diode benötigt,umden Stromfluss von der Batterie zum La-degerät durch die Substrat-Diode zu ver-hindern.

Anwendungsbeispiel 2:MOSFET-Gate-TreiberHochstrom-MOSFETs mit niedrigem RDS(on)

können Gate-Kapazitäten aufweisen, die

Treiberströme von einigen Ampere benöti-gen, um das Bauelement bei hohen Fre-quenzen erfolgreich einsetzen zu können.In der Regel steuern entsprechende Treiberden MOSFET über einen Widerstand an,so dass die Gate-Spannung einer charak-teristischen RC-Zeitkonstante folgt. DieseZeit muss kurz genug sein, um den linea-ren Bereich ohne besondere Verluste zudurchlaufen, darf aber auch nicht so kurzsein,dass es EMV-Probleme gibt.Der durch-schnittliche Gate-Strom beim Schalten er-gibt 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 mit35 mΩ etwa eine Ladung von 50 nC, sodass für einen Schaltvorgang binnen 20nsein Gate-Strom von 2,5 A benötigt wird.Zum Treiben des Gates bieten sich spezi-elle IC-Treiber, Logik-ICs, diskrete MOSFETsund bipolare Transistoren an. Als Aus-wahlkriterien ziehen Entwickler meist dieSchaltgeschwindigkeit, Stromfähigkeit,Stromverstärkung, Kosten und die Bau-größe ins Kalkül. Im Rahmen dieser Op-tionen sind Bipolar-Transistoren sehr ge-eignet, weil sie ein schnelles Schalten imLinear-Modus ermöglichen und dabei ei-nen hohen Impuls-Strom bei hoher Strom-dichte liefern, so dass sich kleine Abmes-sungen und geringe Kosten ergeben.

Eine der beliebtesten und kostengünstigs-ten Ansteuerschaltungen ist ein nichtin-vertierender bipolarer Gegentakt-Treiber,wie er in Bild 4 dargestellt ist. Wenn derMOSFET in diesem Beispiel mit einer Trei-berspannung von 5 V bei 1 MHz schaltenmuss, dann ergibt sich die abgegebenemaximale Verlustleistung pro Treiber-Tran-sistor 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 Ba-sisstrom durch Udrive geliefert wird, dannlassen sich die Verluste pro Transistor etwaso 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

Da beide Bauteile nur 251,6 mW abgebensind kleine oberflächenmontierbare Tran-sistoren ideal. Dies gilt besonders,wenn siebei Anbietern wie Zetex als komple-mentäres Paar in einem Gehäuse unter-gebracht sind. (av)

Eigenschaft Bipolar-Transistor MOSFET

On-Widerstand Exzellent: bis zu 50% geringer als Gut bei voller Sättigung, moderat bei beim besten MOSFET (abhängig geringer Gate-Ansteuerungvom verfügbaren Treiberstrom)

Sperrspannung Sperrt in beide Richtungen. BUCES, Sperrt nur in eine Richtung. Kann in BUCEV oder BUCBO können für einige einigen Anwendungen eine in Reihe Anwendungen angemessen sein. geschaltete Schottky-Diode oder zwei

antiparallel geschaltete MOSFETs erfor-derlich machen.

Impulsstrom Hoch Moderat

Ansteuer-Spannung Unter 1 V 1,8 V bis 10 V; Abhängig vom Typ

Temperatur-Stabilität Exzellent: Moderat:UBE: etwa 2 mV/°C Uth: etwa 4 bis 6 mV/°C RCE(sat): etwa 0,38 %/°C RDS(on): etwa 0,64 %/°C

Ansteuer-Leistung Moderat DC und niedrige Frequenz: ExzellentHohe Frequenzen: Moderat

Geschwindigkeit Schnell Sehr schnell

ESD-Empfindlichkeit Sehr robust und unempfindlich Empfindlich

Preis pro Silizium-Fläche Vergleichbar Vergleichbar

Tabelle 1: Unterschiede in den Parametern von MOSFETs und bipolaren Transistoren.

˙

KONTAKT

Zetex Kennziffer 427www.zetex.com

Bild 4: Gegentakt-Treiberstufe für einen Power-MOSFET