Nederlands
Menu

BJT versus MOSFET: aansturing, snelheid en toepassingen vergeleken

Een bipolaire transistor (BJT) wordt gestuurd met een basisstroom, een MOSFET met de spanning op een geïsoleerde gate. Uit dit verschil volgen veel van de andere eigenschappen. Een MOSFET trekt in statische toestand vrijwel geen ingangsstroom en is gemakkelijk met miljarden tegelijk te integreren, waardoor hij de hoofdrol speelt in digitale IC's. Een BJT heeft een hoge steilheid en weinig ruis en wordt daarom nog steeds gebruikt in analoge en RF-schakelingen.

KenmerkBJTMOSFET
AansturingStroomgestuurd. De basisstroom bepaalt de collectorstroomSpanningsgestuurd. De gatespanning bepaalt de drainstroom
IngangsstroomContinu een basisstroom nodig (collectorstroom gedeeld door de stroomversterking)Statische gatestroom vrijwel nul. Bij elke schakeling moet wel de gatecapaciteit worden geladen en ontladen
LadingdragersZowel elektronen als gaten zijn betrokken (bipolair)Het kanaal geleidt met één type ladingdrager (unipolair)
SteilheidHoger bij dezelfde stroom (gm = IC / VT, ongeveer 38 mS bij 1 mA)Lager bij dezelfde stroom (gm = 2 ID / (VGS − Vth))
SchakelsnelheidBij sturing tot verzadiging trager door opslag van minderheidsladingdragersSneller, omdat er geen opslag van minderheidsladingdragers is
Aan-toestandVerzadigingsspanning VCE(sat) ongeveer 0,1 tot 0,3 V, vrijwel constantWerkt als weerstand RDS(on), met verliezen van I²R
TemperatuurgedragDe stroom neemt toe met de temperatuur, met risico op thermal runaway. Parallelschakelen is lastigDe aan-weerstand neemt toe met de temperatuur, waardoor de stroom zich verdeelt. Parallelschakelen is eenvoudig
RuisLage laagfrequente (1/f) ruisHogere 1/f-ruis
IntegratiedichtheidGroot oppervlak en bias-stroom nodig. Gebruikt in analoge, RF- en snelle schakelingen (SiGe-HBT, BiCMOS)Klein, en in CMOS vrijwel geen statisch vermogen. Basiselement van microprocessors en geheugens
Belangrijkste toepassingenAnaloge versterking, RF-schakelingen, bandgap-referenties, eenvoudige discrete schakelaarsDigitale logica, geheugen, vermogensschakeling en de meeste moderne IC's

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

BJT
Wanneer winst per stroomeenheid, weinig ruis of een nauwkeurige referentiespanning nodig is. Analoge front-ends, audio- en RF-versterkers, bandgap-referenties.
MOSFET
Wanneer de transistor als schakelaar dient of wanneer zeer veel elementen op een chip moeten passen. Digitale logica, geheugen, voedingsomzetting, motoraansturing.
IGBT
Een IGBT combineert een MOS-gate met een bipolaire uitgangstrap. Hij wordt gebruikt in toepassingen met hoge spanning en grote stroom, zoals motoraandrijvingen en omvormers.

Veelgestelde vragen

Wat is het belangrijkste verschil tussen een BJT en een MOSFET?

Een BJT wordt gestuurd met een basisstroom, een MOSFET met de spanning op een geïsoleerde gate. Een MOSFET trekt in statische toestand vrijwel geen gatestroom, waardoor veel elementen gemakkelijk te integreren zijn.

Waarom gebruiken digitale chips MOSFET's in plaats van BJT's?

MOSFET's zijn klein en CMOS-schakelingen verbruiken vrijwel geen statisch vermogen. BJT's hebben een bias-stroom nodig en nemen meer oppervlak in, waardoor miljarden ervan op één chip te veel warmte zouden produceren.

Wanneer is een BJT beter dan een MOSFET?

Een BJT heeft bij dezelfde stroom een hogere steilheid en minder laagfrequente ruis, en wordt daarom nog steeds gebruikt in analoge versterkers, RF-schakelingen en bandgap-referenties.

Wat is een IGBT?

Een IGBT combineert een MOS-gate met een bipolaire uitgangstrap. Hij wordt gebruikt bij hoge spanningen en grote stromen, zoals in motoraandrijvingen en omvormers, en heeft lagere geleidingsverliezen dan een MOSFET.

Test uw begrip

Welke uitspraak over het verschil in sturing tussen een bipolaire transistor en een MOSFET is juist?

  1. ADe bipolaire transistor wordt met de basisstroom gestuurd en de MOSFET met de gatespanning (er vloeit vrijwel geen gelijkstroom in de gate)
  2. BDe bipolaire transistor wordt met licht gestuurd en de MOSFET met temperatuur
  3. CBeide worden met de gatespanning gestuurd en er vloeit geen gelijkstroom in de stuuraansluiting
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. De bipolaire transistor wordt met de basisstroom gestuurd en de MOSFET met de gatespanning (er vloeit vrijwel geen gelijkstroom in de gate)

Een bipolaire transistor is stroomgestuurd: de basisstroom regelt de collectorstroom. Een MOSFET is spanningsgestuurd, met de gate door een isolatiefilm gescheiden; de statische gatestroom is vrijwel 0, maar bij elke schakeling vloeit een stroom voor het laden en ontladen van de gatecapaciteit. Bij lage snelheden is het stuurvermogen daarom klein, terwijl bij hoge snelheden en grote vermogens het vermogen van de stuurschakeling belangrijk wordt. De IGBT, met MOS-gatesturing, combineert de voordelen van beide.

Welke richtwaarde voor de collector-emitterspanning van een bipolaire siliciumtransistor in het verzadigingsgebied is juist?

  1. ACirca 0,1 tot 0,3 V
  2. BCirca 5 V
  3. CCirca 20 V
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Circa 0,1 tot 0,3 V

In het verzadigingsgebied staan beide overgangen in doorlaatrichting en heffen de doorlaatspanningen van de twee overgangen elkaar vrijwel op, zodat VCE(sat) klein is, circa 0,1 tot 0,3 V. Dit is de spanningsval in de aan-toestand van de schakelaar en het verlies is VCE(sat) × IC. Bij grote stromen komt de collectorweerstand erbij en wordt VCE(sat) groter. Vergeleken met de spanningsval door de aan-weerstand van een MOSFET is een MOSFET bij lage spanning en grote stroom vaak voordeliger.

Hoeveel bedraagt de steilheid gm van een bipolaire transistor die bij een collectorstroom van 1 mA werkt ongeveer? (kamertemperatuur, thermische spanning VT ≈ 26 mV)

  1. ACirca 0,38 mS
  2. BCirca 38 mS
  3. CCirca 3,8 S
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Circa 38 mS

De steilheid van een bipolaire transistor is gm = IC/VT, dus 1 mA ÷ 26 mV ≈ 38 mS. Kenmerkend is dat deze alleen door de stroom wordt bepaald en niet afhangt van de grootte van de transistor of productiespreiding. Bij een MOSFET is gm = 2ID/(VGS − Vth); omdat VGS − Vth gewoonlijk 0,1 V of meer is, is gm bij dezelfde stroom bij een bipolaire transistor 2 tot 4 maal groter. Deze grote gm is een van de redenen waarom bipolaire transistoren worden gebruikt in analoge schakelingen met weinig ruis en hoge versterking.

  1. Wat is de juiste reden dat het statische (stationaire) vermogensverbruik van een CMOS-inverter laag is?
  2. Welke uitleg over de temperatuurafhankelijkheid van de aan-weerstand is juist als reden dat het gemakkelijk is meerdere vermogens-MOSFET's parallel te schakelen?
  3. Welke uitspraak over het gebruikelijke onderscheid in toepassing tussen silicium-MOSFET’s en IGBT’s is juist?

Oefenvragen over Bipolaire transistor

Belangrijke termen uitgelegd

Vermogens-MOSFET (power MOSFET)
MOSFET die grote stromen en spanningen aankan. Schakelt snel en wordt veel gebruikt in onder meer voedingsschakelingen.
HBT (heterojunctie-bipolaire transistor)
Bipolaire transistor met materialen met verschillende bandgaps voor emitter en basis. Er bestaan varianten op basis van SiGe en GaAs; ze worden gebruikt in hoogfrequente versterkers.

Verwante vergelijkingen