Pagrindiniai skirtumai tarp MOSFET'ų ir BJT'ų

Valdymas pagal įtampą prieš valdymą pagal srovę

MOSFET'ai veikia per įtampa valdomus vartų terminalus reikalaudami minimalios srovės, skirtingai nuo BJT'ų srove priklausomo bazinio terminalo veikimo . Šis esminis skirtumas paprastai suteikia MOSFET tranzistoriams apie 1 000 kartų didesnį įėjimo varžą nei BJT (puslaidininkių inžinerijos tyrimas, 2023), leidžiant supaprastinti valdymo grandines energijos jungimo taikymuose.

Konstrukcinių skirtumų: vartai/šaltinis/skrudintuvas prieš bazę/emiterį/kolektorius

Konstrukciškai MOSFET naudoja izoliuotus vartų architektūras atskirdami valdymo ir srovės kelius, tuo tarpu BJT remiasi legiruotomis puslaidininkinėmis sandūromis, jungiančiomis bazę, emiterį ir kolektorių sritis. Šis konstrukcinis skirtumas daro MOSFET nuo prigimties atsparesnius šiluminiam nestabilumui aukštos galios situacijose, palyginti su srove jautriais BJT.

NPN/PNP prieš stiprinimo/išnaikinimo režimą

BJT naudoja NPN/PNP konfigūracijas krūvininkų srautui valdyti per dvipolį laidumą. MOSFET vietoj to valdo laidumą per stiprinimo/išnaikinimo režimus , kur stiprinimo tipai dominuoja 83 % energijos valdymo taikymų (2023 m. galios prietaisų rinkos analizė). Šis funkcionalus skirstymas lemia, kad BJT pranašesni tiesinei stiprinimui, o MOSFET – jungimo gebėjimams.

Įtampos įėjimo varžos ir valdymo reikalavimų palyginimas

MOSFET itin aukšta įėjimo varža (>1 GΩ) leidžia tiesiogiai sujungti su mikrovaldikliu, tuo tarpu BJT žemesnė varža (1–10 kΩ) dažnai reikalauja srovės stiprinimo etapų. Inžinieriai susiduria su svarbiu kompromisu: MOSFET sumažina valdymo sudėtingumą, bet reikalauja tikslaus įtampos slenksčio, tuo tarpu BJT reikalauja stabilios srovės šaltinio, nepaisant paprastesnio poliarizavimo.

Kaip veikia MOSFET: struktūra, veikimas ir pagrindiniai pranašumai

MOSFET architektūra ir izoliuotojo rakto mechanizmas

MOSFET'ai, arba metalo oksido puslaidininkio lauko tranzistoriai, kaip jie oficialiai vadinami, turi šią išskirtinę keturių terminalų konfigūraciją su taip vadinamu izoliaciniu vartais. Juos daro ypatingus tai, kad vartai yra atskirti nuo paties puslaidininkio medžiagos dėka plono oksido sluoksnio tarp jų. Kai prie šių vartų pritaikome įtampą, tarp šaltinio ir nutekėjimo jungčių susidaro laidus kelias. Dėl šios izoliacinės barjeros šie tranzistoriai pasižymi nepaprastai aukšta įėjimo varža, paprastai virš vieno gigohmo, kas reiškia, kad per pačius vartus beveik neprateka joks srovės kiekis. Kartu inžinieriai vis dar gali tiksliai kontroliuoti didelius srovės kiekius, tekančius per prietaisą, todėl jie yra labai naudingi komponentai galios elektronikos srityje.

Pagerinimo ir išnaudojimo režimai MOSFET'uose

Dauguma šių dienų MOSFET'ų veikia taip vadinamu stiprinimo režimu, kuris reiškia, kad jie reikalauja teigiamo vartų-šaltinio įtampos (VGS), kol pradės laiduoti elektros srovę per savo kanalą. Kita vertus, išnaudojimo režimo prietaisai iš tikrųjų laiduoja srovę net tada, kai nėra taikoma įtampa tarp vartų ir šaltinio, ir tada reikia neigiamo poliarizavimo, jei norime, kad jie liautųsi laidavę. Kodėl stiprinimo režimo tranzistoriai dominuoja rinkoje? Na, tai susiję su saugumo funkcijomis. Kai maitinimas netikėtai nutrūksta, šie prietaisai automatiškai išsijungia vietoj to, kad liktų įjungti, kas daro visą skirtumą tokiose sistemose kaip maitinimo šaltiniai ir variklių valdymo sistemos, kur staigūs gedimai gali būti pavojingi arba sukelti žalą.

Žema įjungimo varža (R _dS(on) ) ir efektyvumas jungiklio programose

Šiuolaikinė MOSFET technologija kai kuriose naujausiose įrenginiuose pasiekė Rds(on) reikšmes iki maždaug 1 miliohmo, o tai reiškia, kad laidumo nuostoliai sumažėja apie 70 %, palyginti su BJT, veikiančiais panašiose didelės srovės aplikacijose. Dar viena šių komponentų privalumas – beveik nulinė vartų srovės reikalavimas, leidžiantis jungiamosioms maitinimo šaltiniams pasiekti efektyvumo lygmenį virš 98 %. Kita nauda kyla iš to, kad MOSFET elementai nekaupia mažumos krūvininkų krūvių, todėl jie gerokai efektyviau sumažina jungimo nuostolius, ypač veikiant dažniams virš 100 kilohercų ribos.

Atvejo tyrimas: MOSFET tranzistoriai jungiamuosiuose maitinimo šaltiniuose ir variklių valdyme

2023 m. atlikta 1 kW nuolatinės srovės – nuolatinės srovės keitiklių analizė parodė, kad MOSFET pagrindu sukurti sprendiniai pasiekia 92,5 % efektyvumą perjungimo dažniu 500 kHz, lenkiant BJT alternatyvas 12 procentiniais punktais. Šis pranašumas kyla iš MOSFET gebėjimo tvarkyti greitus įtampos pertekus be antrinio sugedimo rizikos, todėl jie tampa nepakeičiami elektromobilių variklių valdymo sistemose ir pramonės automatizacijos sistemose.

Kaip veikia BJT: veikimo principai ir būdingi pranašumai

BJT sandara ir srovės stiprinimo procesas

Dvisukuris pereinamasis tranzistorius, dažnai vadinamas BJT, turi tris puslaidininkio sluoksnius, sudėtus kartu arba kaip N-P-N, arba P-N-P konfigūraciją. Tai sudaro tai, ką žinome kaip prietaiso kolektorių, bazę ir emiterį. Kai kalbama apie srovės stiprinimą, BJT veikia taip, kad mažytė srovė bazėje valdo daug didesnę srovę, tekančią per kolektorius. Šią santykį nulemia tai, kas vadinama srovės stiprinimo koeficientu, dažnai žymimu kaip beta arba hFE. Paimkime, pavyzdžiui, beta reikšmę 100. Tai reiškia, kad tik 1 miliampas, patenka į bazę, iš tikrųjų gali „stumti“ 100 miliampų iš kolektoriaus pusės. Inžinieriai šią savybę laiko labai naudinga silpnoms signalams stiprinti tokiuose prietaisuose kaip garso įranga ir kitos analoginės elektronikos sistemos, kur svarbus signalo stiprumas.

NPN ir PNP tranzistorių veikimo paaiškinimas

NPN tranzistoriai leidžia srovei tekėti, kai elektronai juda iš emiterio visą kelią iki kolektoriaus, praeidami pro tarpinį ploną teigiamą bazinį sluoksnį. PNP tranzistoriams veikimas kitoks – jie priklauso nuo skylių judėjimo iš emiterio į kolektorius. Šie prietaisai veikia su tiesiogiai poliarizuotomis bazės-emiterio sandūromis, tuo tarpu kolektoriaus-bazės sandūra lieka atvirkščiai poliarizuota, kas aiškiai matoma, kaip iš tikrųjų veikia bipoliniai sandūriniai tranzistoriai. Tai, kad egzistuoja tiek NPN, tiek PNP tipai, suteikia grandinių projektuotojams tikrą lankstumą. Jie gali kurti stūmimo-tempimo stiprintuvų konfigūracijas arba statyti komplementines išvesties pakopas, kur vienas tranzistorius tvarko teigiamus signalus, o kitas – neigiamus, dėl ko grandinės tampa žymiai efektyvesnės.

Srovės stiprinimo koeficientas (β/hFE) ir tiesiškumas analoginėse grandinėse

BJT puikiai tinka tiesinei stiprinimui naudoti, nes jų beta reikšmės yra prognozuojamos ir svyruoja nuo 20 iki 200, be to, jie sukelia mažesnį iškraipymą. Jų srovės ir įtampos santykis atitinka eksponentinę kreivę, todėl inžinieriai gauna gana gerą kontrolę dirbdami su analoginiais signalais. Dėl šios priežasties juos vis dar galima rasti garso įrangose ir įvairiuose jutiklių ryšiuose, nepaisant naujesnių technologijų. Palyginti su MOSFET tranzistoriais, kurie daugiausia skirti efektyviems jungimo veiksmams, BJT geriau išlaiko stiprinimo stabilumą keičiantis temperatūrai. Tai ypač svarbu pramonės aplinkose, kur būtina išlaikyti signalo kokybę, ypač ten, kur dažnai kinta temperatūra.

Našumo palyginimas: efektyvumas, šiluminis elgesys ir energijos suvartojimas

Galios efektyvumas ir laidumo nuostoliai: RDS(ON) prieš VCE(SAT)

Didelio efektyvumo taikymo srityse dominuoja MOSFET tranzistoriai, nes jie turi labai mažą įjungimo varžą (RDS(ON)). Šiuolaikiniai paprastai kinta nuo 0,001 omų iki 0,1 omų. Kita vertus, BJT tranzistoriai dažniausiai pasižymi žymiai didesniu sočio įtampumu (VCE(SAT)), kuris svyruoja apie 0,2 voltų iki 1 volto. Tai reiškia, kad laidumo nuostoliai gali padidėti net tris kartus lyginant su 50 amperų grandinėmis, kaip nurodyta 2023 m. publikuotame tyrimo darbe „IEEE Power Electronics Journal“. Dėl šios priežasties MOSFET tranzistoriai geriausiai tinka nuolatinės srovės keitikliams ir įvairioms baterijomis maitinamoms sistemoms, kur nedideliai efektyvumo patobulinimai lemia didelį skirtumą, kiek ilgai įrenginiai veiks iki būtino pakrovimo.

Šiluminis našumas aukštos dažninėse ir aukštos galios aplinkose

Parametras	MOSFET tranzistoriai	BJT tranzistoriai
Šilumos varžymas	0,5–2°C/°C	1,5–5°C/°C
Maksimali sandūros temperatūra	150–175°C	125–150°C
Sugedimų dažnis esant 100 W	0,8 %/1 tūkst. valandų	2,1 %/1 t val.

Kol MOSFET tranzistoriai tvarkosi su aukštos dažnio jungtimi (>100 kHz) su minimaliomis terminėmis apkrovomis, BJT tranzistoriams reikia sumažinti apkrovą virš 20 kHz dėl mažumos krūvininkų kaupimosi delsų. 2024 m. šiluminės vaizdų studija parodė, kad MOSFET palaiko 85 °C temperatūrą esant 500 W impulsinei apkrovai, tuo tarpu BJT tose pačiose sąlygose viršijo 110 °C.

Perjungimo greitis ir dinaminiai nuostoliai šiuolaikinėse aplikacijose

MOSFET pasiekia perjungimo laiką mažesnį nei 50 ns, leidžiantis pasiekti >95 % efektyvumą 1 MHz variklių valdymo sistemose. Tačiau vartų krūvio reikalavimai (5–100 nC) sukelia kompromisus – didesnė valdymo srovė sumažina įjungimo nuostolius, bet padidina valdiklio sudėtingumą. 2024 m. tyrimas apie galios elektroniką parodė, kad optimizuoti MOSFET valdikliai EV traukos sistemose sumažino dinaminius nuostolius 25 % lyginant su BJT pagrindu sukurtomis konstrukcijomis.

Ar BJT tapo pasenusi? Vertinamas aktualumas šiuolaikinėje galios elektronikoje

Nepaisant MOSFET technologijos pažangos, BJT išlaiko nišinę vertę:

• Linijinės reguliavimo grandinės, reikalaujančios tikslaus β (srovės stiprinimo koeficiento)
• Kainos jautrios kintamosios srovės / nuolatinės srovės adapteriai iki 20 W
• Aukštos įtampos analoginė stiprinimo sistema (400–800 V)

Metiniai BJT siuntiniai išlieka pastovūs – 8,2 mlrd. vienetų (ECIA 2024), kas patvirtina jų tolesnį vaidmenį senesnėse sistemose ir specializuotose analoginėse programose, kur 0,03 USD/už vienetą kaina svarbesnė už efektyvumo klausimus.

Teisingo tranzistoriaus pasirinkimas: parinkimo kriterijai, pagrįsti panaudojimu

Kada naudoti MOSFET tranzistorius: didelio dažnio jungimas ir energijos konvertavimas

Kai reikia komponentų, kurie gali greitai perjungti dažnius virš 100 kHz, efektyviai keisdami energiją, paprastai renkamasi MOSFET tranzistorius. Šie prietaisai valdomi įtampa, o tai reiškia, kad nevartoja srovės, kai yra neaktyvūs – ši savybė daro juos idealiais tokiose sistemose kaip impulsiniai maitinimo šaltiniai ir variklių valdymas. Šiuolaikinė MOSFET technologija ženkliai sumažino varžos reikšmes, dažnai žemiau nei 10 miliohmų, leisdama šiems tranzistoriams pasiekti efektyvumą, viršijantį 95 procentus, keičiant nuolatinę įtampą. Palyginti su BJT, kuriems reikalingas nuolatinis srovės tekėjimas, MOSFET palengvina konstruktorių gyvenimą dėl jų aukštos įėjimo varžos, kuri paprastai matuojama milijonais omų. Ši savybė ypač vertinga baterijomis maitinamuose IoT įrenginiuose, kur kiekvienas vartojamos energijos kiekis turi reikšmę.

Kada naudoti BJT: Analoginis stiprinimas ir biudžetui jautrios konstrukcijos

Kai kalbama apie tiesinio stiprinimo grandines, kur svarbus tikslus srovės valdymas, bipoliariniai sandūros tranzistoriai vis dar išlaiko savo pozicijas kaip daugelio inžinierių pirmasis pasirinkimas. Šie tranzistoriai geriau tvarkosi su srovės stiprinimu (β) lyginant su MOSFETais, kuriuos naudojant statomi garso stiprintuvai ar prijungiami jutikliai. Atsižvelkite ir į biudžeto apribojimus. Jei kalbama apie gamybą nuo 1 000 iki 10 000 vienetų, o komponentų kaina vienetui turi likti žemiau pusės dolerio, BJT paprastai leidžia gamintojams sutaupyti apie 20–40 procentų palyginti su panašiais MOSFET sprendimais. Ir tai pasiekta beveik neaukojant našumo, ypač kai veikimo dažnis išlieka žemiau 50 kilohercų. Dėl to jie tampa ypač patrauklūs tam tikroms pramonės sritims, kur kainos efektyvumas atitinka priimtinus našumo standartus.

Konstrukcinių sprendimų kompromisai: greitis, kaina, sudėtingumas ir prieinamumas

Parametras	MOSFET tranzistoriai	BJT tranzistoriai
Perjungimo greitis	100 kHz - 10 MHz	1 kHz - 50 kHz
Valdymo sudėtingumas	Paprasta (įtampa)	Srove valdomas
Vieneto kaina	$0.15-$5	$0.02-$1
Šiluminis poveikis	Žema (Rds(on) stabilumas)	Aukštas (β degradacija)

Tendencijų analizė: MOSFETų naudojimo augimas įterptose ir IoT sistemose

MOSFETai šiuo metu maitina 78 % pramoninių IoT mazgų (2024 m. Įterptųjų technologijų ataskaita), dėl poreikio veikti sub-1 W režimu ir suderinamumui su 3,3 V/1,8 V loginiais grandynais. Šis poslinkis greitėja, nes 5G infrastruktūrai reikia 200+ W/in³ galios tankio – pasiekiamo tik naudojant pažangias GaN MOSFET topologijas.

Praktiškas elektronikos projektams skirtų komponentų atrankos sąrašas

1. Dažnio reikalavimai : ≤50 kHz ┐ Apsvarstykite BJT; ≥100 kHz ┐ Reikalingi MOSFETai
2. Šiluminiai apribojimai : Apskaičiuokite TJ(max) naudodami θJA ir numatomas nuostolius
3. Kainos tikslai : Palyginkite BOM kainas gamybos apimtims
4. Prototipavimas : Patvirtinkite naudodami TO-220 korpusus prieš pereinant prie SMD
5. Prieinamumas : Atlikite tiekėjų kryžminę nuorodą 52 savaičių atsargų prognozėms

DUK

Kokie pagrindiniai skirtumai tarp MOSFET ir BJT?

MOSFET yra įtampa valdomi prietaisai su aukštu įėjimo varžingu, todėl jie tinka greitam jungimui ir maitinimo programoms. BJT yra srove valdomi ir puikiai tinka analoginėms stiprinimo programoms su tikslia srovės stiprinimo koeficientu.

Kodėl maitinimo programose naudojami MOSFET?

MOSFET turi žemą įjungimo varžą ir gali dirbti aukšto dažnio režimu su minimaliomis šiluminėmis nuostolėmis, todėl jie efektyvesni maitinimo programose lyginant su BJT.

Ar BJT turi privalumų prieš MOSFET?

BJT siūlo privalumus tiesiniame stiprinime – mažesnį iškraipymą ir numatytą srovės stiprinimo koeficientą, todėl jie tinka analoginėms grandinėms ir kainos jautriems projektavimams.

Kaip MOSFET ir BJT lyginami pagal jungimo greitį?

MOSFET'ai gali perjungti greičiais, viršijančiais 100 kHz ir pasiekiančiais 10 MHz, o BJT'ų perjungimo greitis paprastai žemesnis – tarp 1 kHz ir 50 kHz.

Ar BJT'ai yra pasenusi modernioje elektronikoje?

Nors MOSFET'ai naudojami dažniau, BJT'ai vis dar išlaiko savo vertę tam tikrose srityse, pavyzdžiui, tiesinės reguliavimo grandinėse ir kainą lemiančiuose projektuose, reikalaujančiuose aukštos įtampos analoginio stiprinimo.