Differenza tra BJT e Mosfet Transistor

I transistor BJT o MOSFET sono utili in innumerevoli circuiti elettronici.Conoscere la differenza tra loro può fare o rompere il tuo design.In questa guida, imparerai tutto ciò di cui hai bisogno: da come funzionano BJT e MOSFET, i loro vantaggi e svantaggi, applicazioni e altro ancora.

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Figura 1. BJT vs. MOSFET

Cos'è BJT?

Figura 2. Bjt

Un transistor di giunzione bipolare, o BJT, è un componente piccolo ma utile in elettronica.È costruito da tre strati impilati di silicio, disposti per formare due giunzioni P-N.Queste giunzioni definiscono tre regioni funzionali: l'emettitore, la base e il collezionista.

L'emettitore è pesantemente drogato per iniettare portatori di carica, mentre la base - sottile e leggermente drogata - attiva come gate di controllo per il flusso di corrente.Il collezionista raccoglie i vettori, consentendo al transistor di amplificare i segnali o cambiare correnti in un circuito.

I BJT sono stati introdotti come alternativa a stato solido a tubi a vuoto ingombranti e fragili.Le loro dimensioni compatte, efficienza energetica e affidabilità li hanno resi un elemento necessario nei primi dispositivi elettronici.

Cos'è MOSFET?

Figura 3. MOSFET

Un MOSFET (transistor ad effetto di campo-ossido-metallo-semiconduttore) è un transistor ampiamente utilizzato per la commutazione e l'amplificazione di segnali elettronici.

Ciò che distingue un MOSFET è lo strato isolante sottile, in genere fatto di biossido di silicio, che separa il cancello dal canale sotto di esso.Questo strato agisce come una barriera, consentendo al gate di influenzare la corrente nel canale senza contatto elettrico diretto.Di conseguenza, quasi nessuna corrente scorre nel cancello stesso, riducendo drasticamente la perdita di potenza.

Questa capacità di controllare la corrente utilizzando la tensione, senza significativa scarico di energia, produce MOSFET ideali per applicazioni a bassa potenza.Sono particolarmente vitali nella tecnologia CMOS (complementare-metallo-ossido-semiconduttore), in cui i MOSFET sia di N-Canale che a canale P sono combinati in coppia.Questo design complementare consente ai circuiti digitali di passare rapidamente tra gli stati consumando una potenza minima.

Operazione di lavoro BJT vs. MOSFET

Principio di lavoro di BJT

I transistor di giunzione bipolare (BJTS) funzionano come dispositivi controllati da corrente.Come menzionato nella sezione 1, ha tre terminali: la regione emettita (e), la regione di base (b) e la regione del collettore (C).La corrente che scorre nel terminale di base regola la corrente maggiore tra il collettore e l'emettitore.Questa relazione consente a una piccola corrente di input alla base di controllare una corrente di uscita molto più grande attraverso il collettore.

Il diagramma seguente mostra una configurazione emettitore comune, che è una delle configurazioni BJT più utilizzate:

Figura 4. Funzionamento del transistor di giunzione bipolare

In questa configurazione, la regolazione della tensione di base-emettitore cambia la corrente di base.Questo cambiamento influenza direttamente la corrente del collettore, dimostrando la capacità del transistor di amplificare la corrente.

Principio di lavoro di MOSFET

Come discusso nella Sezione 2, il MOSFET opera come un dispositivo controllato dalla tensione.Ha anche tre terminali: gate, fonte e scarico.La differenza chiave sta nel modo in cui controlla la corrente.Invece di usare la corrente al gate, il MOSFET utilizza la tensione per formare o bloccare un canale conduttivo tra la sorgente e lo scarico.

Il cancello è isolato dal canale da uno strato di ossido di metallo sottile.Questo isolamento riduce la perdita di potenza e impedisce alla corrente di fluire nel cancello, contribuendo all'alta efficienza del MOSFET.

Il diagramma seguente illustra la struttura interna e il flusso di corrente di un tipico MOSFET:

Figura 5. Diagramma a blocchi MOSFET

Quando viene applicata una tensione positiva al terminale del gate, crea un campo elettrico che respinge i fori nel substrato di tipo P e attira elettroni, formando un canale conduttivo di tipo N.Ciò consente alla corrente di fluire da un drenaggio alla sorgente.Poiché il gate controlla questo processo con quasi nessuna corrente di input, i MOSFET sono ampiamente utilizzati nei circuiti digitali ad alta efficienza a bassa potenza, come la logica CMOS.

Tipi di BJT e MOSFET

Tipi di Bjt

I transistor di giunzione bipolare (BJT) sono creati mediante materiali a semiconduttore a strati di tipo N e P-Type.La disposizione specifica di questi strati definisce il tipo di transistor.Esistono due forme primarie: NPN e PNP.

Npn bjt

Un transistor NPN è costituito da una sottile regione di tipo P posizionata tra due regioni di tipo N.Queste tre regioni formano i terminali di emettitore, base e collettore.In questa configurazione, l'emettitore (uno strato di tipo N) è fortemente drogato per iniettare elettroni in modo efficiente nella base.La base (di tipo P) è mantenuta molto stretta e leggermente drogata, consentendo alla maggior parte degli elettroni di attraversarla e raggiungere il collettore (un'altra regione di tipo N), dove vengono raccolti.

Il transistor inizia a condurre quando una piccola corrente viene applicata alla base.Questa corrente di base apre un percorso affinché una corrente molto più grande fluisca dal collettore all'emettitore.Poiché gli elettroni sono i vettori di maggioranza in questa configurazione, il tipo NPN offre una commutazione più rapida e una maggiore efficienza, tratti che lo rendono ideale per Amplificazione del segnale E Circuiti di commutazione ad alta velocità.

Figura 6. Simbolo NPN BJT

Il simbolo del circuito per un transistor BJT NPN include una freccia sul terminale dell'emettitore che si rivolge alla base.Questa freccia mostra la direzione del flusso di corrente convenzionale (da positivo a negativo) quando il transistor è attivo.

Pnp bjt

Un transistor di giunzione bipolare PNP è costituito da una sottile regione di tipo N posizionato tra due regioni di tipo P.Se utilizzato in un circuito, la corrente entra attraverso l'emettitore ed esce attraverso il collettore.Il transistor diventa attivo quando la tensione di base è inferiore alla tensione dell'emettitore.

Questo tipo di transistor viene generalmente utilizzato nelle configurazioni in cui il carico si collega a terra, consentendo alla corrente di fluire da un'alimentazione positiva attraverso il transistor al carico.

Figura 7. PNP BJT

Nei simboli schematici, l'emettitore è contrassegnato da una freccia di punta verso l'interno, indicando la direzione del flusso di corrente convenzionale nel transistor.

Tipi di MOSFET

In base al loro funzionamento, i MOSFET sono classificati in due tipi: modalità di miglioramento e modalità di esaurimento.

Modalità di miglioramento MOSFET

Un MOSFET di miglioramento rimane fuori quando non viene applicata alcuna tensione al cancello.Richiede una tensione di gate positiva (per i tipi di canali n) per formare un percorso conduttivo tra la sorgente e il drenaggio.Questo tipo è ideale per la commutazione delle applicazioni perché conduce solo se attivato.

Figura 8. Modalità di miglioramento MOSFET

Il canale rotto nel simbolo mostra che la corrente non scorre fino a quando non viene applicata una tensione di gate.

Modalità di esaurimento Mosfet

Il MOSFET di esaurimento è normalmente acceso.Conduce corrente anche senza alcuna tensione di gate.Per spegnerlo o ridurre la conduzione, viene applicata una tensione di gate negativa (per tipi di canali n).Questo tipo funziona bene nei circuiti in cui il flusso di corrente è necessario per impostazione predefinita.

Figura 9. MODE DEPLITION MOSFET

Il canale solido nel simbolo indica che il MOSFET è conduttivo senza ingresso gate.

Vantaggi e svantaggi BJT e MOSFET

Transistor bipolare giunction (BJT)

Vantaggi	Svantaggi
Alto guadagno e corrente forte amplificazione	Consumo energetico più elevato rispetto ai MOSFET
Migliori prestazioni a bassa frequenza applicazioni	Velocità di commutazione più lenta
Può gestire efficacemente le grandi correnti	Genera più calore, richiede adeguati raffreddamento
Puntizzazione semplice e funzionamento lineare	Più complesso da guidare a causa della base Requisito attuale
Più robusto in determinate condizioni	Impedenza di input inferiore, portando a di più Caricamento sui circuiti precedenti
Preferito per i circuiti analogici dovuti a migliore linearità	Non ideale per ad alta frequenza o Applicazioni digitali a bassa potenza

MOSFET (transistor ad effetto di campo-semiconduttore metallico)

Vantaggi	Svantaggi
Elevata impedenza di input, con conseguente molto corrente di input bassa	Più sensibile alla scarica statica (ESD danno)
Velocità di commutazione più veloce, ideale per Applicazioni ad alta frequenza	Produzione più complessa e costosa processo
Minore consumo di energia, specialmente in circuiti digitali	Può soffrire di fuga termica se non gestito correttamente
Eccellente per l'integrazione negli ICS dovuti a dimensioni e scalabilità ridotte	Richiede un'attenta gestione durante Installazione per evitare danni al gate
Più facile da guidare (controllata dalla tensione, no corrente richiesta al gate)	Ha una resistenza su maggiore maggiore rispetto a BJT livelli di corrente elevati
Preferito in elettronica di alimentazione e Sfruttamento delle applicazioni	La tensione di soglia può variare con Tolleranze di temperatura e produzione

BJT vs MOSFET: che è meglio per gli amplificatori e il cambio?

Durante la progettazione di circuiti, la scelta tra un BJT (transistor bipolare giunction) e un MOSFET (transistor ad effetto di campo-ossido di metallo-semiconduttore) dipende dalle prestazioni necessarie.Entrambi hanno punti di forza distinti: i BJT eccellono nell'amplificazione attuale, mentre i MOSFET offrono una migliore efficienza e velocità.Fare riferimento alla Sezione 5 per un riepilogo fianco a fianco.

Amplificatori BJT

I BJT sono ideali per amplificare piccoli segnali, specialmente nelle applicazioni analogiche e audio.Il loro guadagno di corrente elevata consente loro di aumentare la precisione segnali di input deboli.Offrono anche una buona linearità, il che significa che riproducono accuratamente i segnali di ingresso, importanti per la qualità del suono e l'integrità del segnale analogico.Inoltre, i BJT gestiscono bene i carichi di corrente elevati, rendendoli adatti ai circuiti di richiesta di alimentazione.

Tuttavia, i BJT sono meno efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai MOSFET.Generano più calore, specialmente nelle configurazioni ad alta potenza, che spesso richiedono dissipatori di calore per la gestione termica.Ciò limita il loro utilizzo in dispositivi a batteria o compatto in cui il consumo di calore e energia deve essere ridotto al minimo.

Amplificatori MOSFET

I MOSFET sono noti per la loro efficienza e una velocità di commutazione rapida.Come dispositivi controllati dalla tensione, disegnano una piccola corrente di gate, con conseguente minore perdita di potenza e calore ridotto.Queste funzionalità le rendono un'ottima scelta per applicazioni per risparmiare energia e ad alta frequenza come alimentatori, convertitori di commutazione e sistemi RF.

Detto questo, i MOSFET offrono in genere un guadagno di corrente inferiore rispetto ai BJT, che può essere uno svantaggio nei circuiti che necessitano di un'amplificazione del segnale elevata.Sono anche più sensibili alle variazioni di tensione, che richiedono un controllo di gate preciso per un funzionamento affidabile.

MOSFET come interruttore

Come descritto in precedenza, i MOSFET agiscono come interruttori efficienti a causa della loro rapida risposta e basso consumo di energia.Quando la tensione del gate è al di sotto della soglia, il MOSFET rimane fuori e blocca la corrente.Una volta che la tensione di gate sale sopra la soglia, accende, consentendo alla corrente di passare con resistenza minima.

Questo comportamento di commutazione efficiente rende MOSFET l'opzione preferita nei circuiti digitali, nella modulazione della larghezza di impulsi (PWM) e nei sistemi di controllo dell'alimentazione.La loro bassa produzione di calore riduce anche la necessità di raffreddamento, che è utile in progetti compatti o portatili.

Bjt come interruttore

BJTS può anche funzionare bene come switch.Nello stato di cut-off, nessuna corrente fluisce perché la giunzione emetter di base è distorta inversa.Nello stato di saturazione, entrambe le giunzioni sono polarizzate in avanti, consentendo alla piena corrente di fluire attraverso il transistor.

Per accendere un BJT, applicare una piccola tensione alla base, che attiva il flusso di corrente dal collettore all'emettitore.La rimozione di questa tensione di base spegne il transistor.Questa semplice operazione rende BJTS affidabile per le attività di commutazione di base.

Differenze tra BJT e MOSFET

Caratteristica	BJT (transistor bipolare giunction)	MOSFET (metallo-ossido-semiconduttore FET)
Metodo di controllo	Controllati in corrente (richiede la base attuale)	Controllata dalla tensione (richiede gate voltaggio)
Resistenza di ingresso	Basso	Alto
Impedenza di output	Alto	Basso
Velocità di commutazione	Più lentamente	Più veloce
Consumo energetico	Più alto (corrente di base continua necessaria)	Inferiore (corrente di gate quasi zero)
Struttura	Tre strati: emettitore, base, collezionista	Quattro strati: fonte, gate, scarico, Substrato
Capacità di guida	Alto (gestisce grandi correnti)	Medio
Temperatura operativa	Si comporta meglio a temperature elevate	Meno tollerante al calore
Immunità al rumore	Inferiore (facilmente influenzato dal rumore)	Più alto (migliore immunità al rumore)
Risposta di frequenza	Bravo a basse a medie medie	Eccellente alle alte frequenze
Linearità	Meglio per operazioni lineari analogiche	Linearità limitata (meglio per il digitale commutazione)
Termico Stabilità	Più stabile (temperatura negativa coefficiente)	Meno stabile (temperatura positiva coefficiente)
Costo	Generalmente più economico	Generalmente più costoso
Sensibilità ESD	Meno sensibile all'elettrostatico scarico	Più sensibile, richiede protezione
Guadagnare comportamenti	Elevato guadagno, ma può variare con la temperatura	Alto guadagno, stabile nella commutazione digitale
Caduta di tensione di saturazione	~ 200 mV attraverso il collettore-emetter (VCE)	~ 20 mV attraverso la fonte di scarico (VDS)
Livello di corrente di input	Milliamps ai microamps	Picoamps
Impedenza di input	Basso	Alto
Tipo di dispositivo	Bipolare (utilizza elettroni e buchi)	Unipolare (utilizza principalmente un tipo di carica vettore)

Quando usare BJT e MOSFET?

Decidere se utilizzare un BJT (transistor di giunzione bipolare) o un MOSFET (transistor ad effetto-semiconduttore di ossido di metallo) dipende dalle esigenze specifiche del circuito, come velocità, gestione della potenza, efficienza e costo.

Usa un BJT quando hai bisogno di guadagno di corrente elevata e amplificazione del segnale forte.I BJT sono ideali per attività analogiche a bassa frequenza come l'amplificazione audio, dove è importante una qualità del segnale costante.Sono anche adatti a circuiti a bassa tensione e design sensibili ai costi che non richiedono una commutazione rapida.Poiché i BJT sono controllati in corrente, offrono un migliore controllo in alcune applicazioni analogiche.

Utilizzare un MOSFET quando il design richiede una commutazione rapida, una perdita a bassa potenza o prestazioni ad alta frequenza.I MOSFET funzionano bene nei circuiti digitali, agli alimentatori e ai dispositivi alimentati a batteria grazie alla loro efficienza e risposta rapida.Sono controllati dalla tensione, quindi usano meno potenza di guida, facendo loro un'opzione migliore per sistemi ad alta velocità e risparmio di energia.