BJT и MOSFET: в чем разница?

В каждом проекте по разработке электроники выбор транзистора может сделать или погубить ваш проект. Биполярные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET) — два наиболее часто используемых транзистора в электронных схемах. Хотя оба типа могут использоваться для усиления и переключения, их основные принципы и области применения существенно отличаются друг от друга.

Здесь мы собираемся разобрать различия, сильные и слабые стороны как BJT, так и MOSFET. Мы расскажем вам, как выбрать правильный транзистор для вашего проекта по разработке электроники. К концу вы поймете, где использовать каждый из них и почему.

Что такое БЮТ?

Биполярный переходный транзистор (БПТ) — это управляемое током устройство, которое усиливает или переключает электрические сигналы. Он состоит из трех легированных слоев полупроводникового материала, с двумя переходами, сформированными внутри транзистора. Слои в БПТ называются:

· Излучатель: Слой, который поставляет носители заряда.

· Система исчисления: Внутренний слой контролирует поток носителей заряда.

· Коллектор: Слой, собирающий носители заряда от эмиттера.

Принцип работы BJT

Работа биполярного транзистора вращается вокруг управления током. Когда небольшой ток течет в переход база-эмиттер, большой ток течет между коллектором и эмиттером. Этот принцип обычно называют усилением тока. База действует как регулятор, следовательно, управляет током коллектор-эмиттер.

Основные операции BJT можно резюмировать следующим образом:

· Поток электронов (в типе NPN) или дырок (в типе PNP).

· Управление через базовый ток.

Что такое NPN-транзистор?

NPN-транзистор — это тип биполярного плоскостного транзистора, который содержит слой полупроводника P-типа, расположенный между двумя слоями полупроводника N-типа.

Что такое PNP-транзистор?

PNP-транзистор — это тип биполярного плоскостного транзистора, в котором слой N-типа расположен между двумя слоями P-типа.

Основные характеристики BJT

· Высокий ток усиления: Идеально подходит для усиления слабых сигналов.

· Чувствительность к температуре: При более высоких температурах производительность, скорее всего, ухудшится.

· Аналоговая обработка: Подходит для аналоговых приложений благодаря линейному принципу работы.

Сравнение различных типов усилителей на биполярных транзисторах

Что такое полевой МОП-транзистор?

MOSFET — это сокращенное название для «Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor». По сути, это управляемое напряжением устройство, которое используется как для коммутации, так и для усиления. Он состоит из трех основных частей, описанных ниже:

· Gate: Используется для управления МОП-транзистором.

· Источник: Он обеспечивает носители заряда.

· Истощать: Он принимает носители.

В МОП-транзисторе между затвором и каналом имеется тонкий оксидный слой, который изолирует и предотвращает прохождение постоянного тока, что делает МОП-транзистор высокоэффективным устройством.

Что такое МОП-транзистор с режимом обеднения?

MOSFET в режиме обеднения — это тип MOSFET, который обычно включен даже при нулевом напряжении затвор-исток (VGS). Эта «нормально включенная» характеристика позволяет MOSFET проводить ток по умолчанию, как замкнутый переключатель. На принципиальных схемах MOSFET в режиме обеднения представлен сплошной линией канала, которая указывает на наличие активного (проводящего) канала при нулевом смещении затвора.

Чтобы выключить обедненный n-каналом МОП-транзистор, нам нужно подать отрицательное напряжение затвор-исток (-VGS). Это отрицательное смещение истощает канал свободных электронов, останавливая поток тока. Напротив, если мы увеличиваем VGS в положительном направлении, канал получает больше электронов, следовательно, увеличивается поток тока.

Для p-канального обедненного MOSFET все наоборот. Когда мы применяем положительное смещение затвора +VGS, это истощает канал дырок и выключает его. В то время как отрицательное смещение затвора −VGS позволит большему току течь.

Хотя MOSFET-транзисторы в режиме обеднения не распространены среди разработчиков, поскольку их аналоги в режиме обогащения (которые обычно выключены при VGS = 0) могут использоваться в определенных приложениях, требующих, чтобы устройство было «ВКЛ» по умолчанию. Думайте о них как о «нормально замкнутых» переключателях, которые можно открыть с помощью соответствующего напряжения затвора.

Что такое МОП-транзистор в режиме улучшения?

МОП-транзисторы в режиме обогащения являются широко используемым типом МОП-транзисторов. Они ведут себя иначе, чем транзисторы в режиме обеднения. В режиме обогащения канал обычно находится в состоянии «ВЫКЛ», когда напряжение затвор-исток отсутствует (VGS = 0 В).

На принципиальных схемах канал изображается пунктирной линией. Это указывает на то, что ток по умолчанию не течет.

N-канальный MOSFET-транзистор

Обычно ВЫКЛ: При VGS = 0 путь для протекания тока отсутствует.

Включение: Когда VGS превышает определенное пороговое напряжение VTH. Электроны притягиваются к области под затвором, создавая (или «усиливая») проводящий канал. Теперь ток может течь от стока к истоку.

Больше напряжения, больше тока: по мере увеличения VGH сверх VTH канал становится еще более проводящим, поэтому ток течет больше.

Аналогия переключателя: Представьте себе, что это «нормально разомкнутый» переключатель — подача положительного напряжения замыкает переключатель и пропускает ток.

MOSFET с расширением P-канала

Обычно ВЫКЛ: При VGS = 0 ток не течет.

Включение: Когда мы прикладываем отрицательное напряжение затвор-исток, оно создает проводящий канал, притягивая дырки.

Чем больше отрицательное напряжение, тем больше будет ток: увеличение отрицательного напряжения сделает канал более проводящим, а значит, позволит протекать большему току.

Аналогия переключателя: Для p-канального МОП-транзистора отрицательное напряжение на затворе «закрывает» переключатель, тогда как нулевое или положительное напряжение удерживает переключатель открытым.

Обобщить, MOSFET-транзисторы в режиме улучшения начинаются с открытого канала (нет проводимости) и требуют напряжения затвора (положительного для n-канала, отрицательного для p-канала) для «усиления» или создания проводящего пути. Вот почему мы называем их «нормально открытыми» устройствами: они позволяют току течь только тогда, когда напряжение затвора достаточно отличается от напряжения источника.

Принцип работы MOSFET

В МОП-транзисторе ток контролируется силой электрического поля. Когда напряжение подается на затвор, оно либо увеличивает (усиливает), либо уменьшает (истощает) проводимость канала между истоком и стоком. Весь этот процесс основан на электрическом поле, а не на токе. МОП-транзисторы могут точно управлять токами с минимальными потерями мощности.

Почему в схеме предпочтительны МОП-транзисторы?

MOSFET имеют быструю структуру управления. Просто изменяя напряжение на затворе, мы можем регулировать, сколько тока будет протекать между истоком и стоком. MOSFET — это эффективные и тонко настроенные устройства, что делает их первым выбором для проектирования надежных схем силовой электроники.

Почему следует использовать МОП-транзистор вместо биполярного транзистора?

Если сравнить BJT и MOSFET, то они обладают следующими характеристиками:

Более высокое входное сопротивление: MOSFET почти не потребляет ток на затворе. Это главная причина, по которой мы снизили потребление энергии на стороне управления.

Улучшенные высокочастотные характеристики: MOSFET — это быстро переключающийся полупроводниковый прибор. Эта особенность делает его идеальным для RF (радиочастотных) и других высокоскоростных приложений.

Основные характеристики МОП-транзистора

Ниже приведены основные характеристики МОП-транзисторов:

Высокое входное сопротивление: Чрезвычайно низкий ток затвора и минимальное энергопотребление.

Быстрое переключение: Быстрое управление включением/выключением делает его пригодным для высокочастотных цепей.

Потребление низкой мощности: Первый выбор эффективных электронных схем.

BJT против MOSFET: краткое сравнение

Сравнение BJT и MOSFET в качестве усилителя

Давайте сравним плюсы и минусы усилителей на BJT и MOSFET. Это сравнение наверняка поможет вам выбрать правильный транзистор для вашего проекта.

Усилители на биполярных транзисторах

Сильные стороны: Их линейные характеристики делают их отличными кандидатами для аудио- и аналоговых схем, где точность сигнала имеет решающее значение.

Высокий ток усиления: Усилители BJT обеспечивают плавный и стабильный выходной сигнал для аудио/низкочастотных приложений.

Усилители MOSFET

Сильные стороны: Они являются лучшим выбором для радиочастотных (РЧ) и высокомощных установок благодаря своей скорости и эффективности.

Меньше искажений: Усилители MOSFET обеспечивают чрезвычайно низкий уровень искажений и сохраняют четкость сигнала в широком спектре, особенно на высоких частотах.

Сравнение BJT и MOSFET в качестве коммутатора

Давайте определим, когда следует использовать MOSFET, а когда — BJT в наших коммутационных приложениях.

BJT как переключатель

Плюсы: BJT — недорогие устройства, простые в использовании. Они подходят для многих задач с низким энергопотреблением.

Минусы: Скорости переключения BJT медленнее по сравнению с MOSFET. Они также имеют высокие потери мощности, что обуславливает их отказ от эффективных и быстрых схем переключения.

МОП-транзистор как переключатель

Плюсы: МОП-транзисторы идеально подходят для высокоскоростных приложений, таких как импульсные источники питания (ИБП) и контроллеры двигателей, благодаря быстрому переключению и низкому сопротивлению открытого канала.

Минусы: Мощные МОП-транзисторы часто стоят дорого, но их эффективность и надежность управления компенсируют первоначальные затраты.

Типы MOSFET: NMOS и PMOS

BJT или MOSFET: что выбрать?

Для усилителей

· Если вам требуется линейность и высокий коэффициент усиления по току, используйте биполярные транзисторы, как в аудиоусилителях.

· MOSFET превосходят по производительности за счет быстрого переключения и высокой эффективности. Лучше всего подходят для высокочастотных и мощных усилителей.

Для переключения приложений

· МОП-транзисторы идеально подходят для быстрого управления включением/выключением с минимальными потерями мощности. Они обеспечивают хорошую термическую стабильность.

· Биполярные плоскостные транзисторы отлично подходят для простых и недорогих конструкций, где частота переключения умеренная или некритичная.

Резюме

Когда вы должны сделать выбор между BJT или MOSFET, вы должны сначала составить свои требования. Сначала вам нужно сузить круг вопросов, будет ли он использоваться как переключатель или усилитель, будет ли схема высокоскоростной или нет, нужно ли нам проектировать эффективную схему или просто обычный контроль.

BJT идеально подходят для аналогового усиления. Они предлагают бюджетную конструкцию, в то время как MOSFET превосходят в высокоскоростных и энергоэффективных приложениях. Понимая уникальные сильные стороны и ограничения каждого из них, мы можем выбрать транзистор, который обеспечивает оптимальную производительность для вашего конкретного проекта по разработке силовой электроники.