BJT 與 MOSFET 的差異:控制方式、速度、用途比較

雙極性電晶體(BJT)以基極電流控制,MOSFET 則以絕緣閘極的電壓控制。從這項差異,就能說明其他許多特性。MOSFET 幾乎沒有穩態的輸入電流,容易整合數十億個,因此是數位 IC 的主角。另一方面,BJT 的轉導大、雜訊低,所以在類比與 RF 電路中至今仍在使用。

項目BJTMOSFET
控制方式電流控制。由基極電流決定集極電流電壓控制。由閘極電壓決定汲極電流
輸入電流穩態時需要基極電流(集極電流除以電流增益的值)穩態的閘極電流幾乎為 0。但每次切換都需要對閘極電容充放電
載子電子與電洞兩者都參與(雙極性)在通道中流動的只有一種載子(單極性)
轉導相同電流下較大(gm = IC / VT。1 mA 時約 38 mS)相同電流下較小(gm = 2 ID / (VGS − Vth))
切換速度驅動到飽和時,會因少數載子的累積而變慢沒有少數載子的累積,因此較快
導通狀態飽和電壓 VCE(sat) 約 0.1~0.3 V 且固定表現為電阻 RDS(on),損耗為 I²R
溫度特性溫度上升電流會增加,有熱失控的疑慮。不易並聯溫度上升導通電阻會增加,電流因此分散。容易並聯
雜訊低頻(1/f)雜訊小1/f 雜訊大
積體度面積大,且需要偏壓電流。用於類比、RF、高速電路(SiGe HBT、BiCMOS)小,在 CMOS 中靜態耗電幾乎為 0。是微處理器與記憶體的基本元件
主要用途類比放大、RF 電路、能隙參考電壓、單純的離散式開關數位邏輯、記憶體、功率切換、現代大多數的 IC

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

BJT
想要每單位電流的增益、需要低雜訊、想要高精度的參考電壓時。例如類比前端、音訊與 RF 放大器、能隙參考電壓等。
MOSFET
作為開關使用,或想在晶片上放入非常多元件時。例如數位邏輯、記憶體、電源轉換、馬達驅動等。
IGBT
IGBT 是結合 MOS 閘極與雙極性輸出級的元件。用於馬達驅動與變頻器等高電壓、大電流的應用。

常見問題

BJT 與 MOSFET 最大的差異是什麼?

BJT 以基極電流控制,MOSFET 以絕緣閘極的電壓控制。MOSFET 幾乎沒有穩態的閘極電流,因此容易整合非常多的元件。

為什麼數位晶片使用 MOSFET 而不是 BJT?

MOSFET 體積小,在 CMOS 電路中幾乎沒有靜態耗電。BJT 需要偏壓電流且面積也大,若將數十億個放在一顆晶片上,會因發熱而損壞。

BJT 在什麼情況下比 MOSFET 更優越?

BJT 在相同電流下轉導較大,低頻雜訊也較小,所以在類比放大器、RF 電路、能隙參考電壓等場合至今仍在使用。

什麼是 IGBT?

IGBT 是結合 MOS 閘極與雙極性輸出級的元件。用於馬達驅動與變頻器等高電壓、大電流的應用,導通損耗比 MOSFET 小。

理解度檢測

雙極性電晶體與MOSFET在控制上的差異,下列何者正確?

  1. A雙極性電晶體以基極電流控制,MOSFET以閘極電壓控制(閘極幾乎沒有直流電流流過)
  2. B雙極性電晶體以光控制,MOSFET以溫度控制
  3. C兩者都以閘極電壓控制,控制端子沒有直流電流流過
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正確答案:A. 雙極性電晶體以基極電流控制,MOSFET以閘極電壓控制(閘極幾乎沒有直流電流流過)

雙極性電晶體是以基極電流控制集極電流的電流控制型。MOSFET的閘極由絕緣膜隔開,是電壓控制型,穩態的閘極電流幾乎為0,但每次切換時仍有對閘極電容充放電的電流。因此低速時驅動功率小,在高速、大容量時,驅動電路的能力就變得重要。結合兩者優點的就是以MOS閘極驅動的IGBT。

矽雙極性電晶體處於飽和區時,集極-射極間電壓的參考值,下列何者正確?

  1. A約0.1〜0.3 V
  2. B約5 V
  3. C約20 V
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正確答案:A. 約0.1〜0.3 V

在飽和區,兩個接面皆為順向偏壓,兩個接面的順向電壓幾乎互相抵消,因此VCE(sat)很小,約為0.1〜0.3 V。這相當於開關導通時的壓降,損耗為 VCE(sat) × IC。在大電流下,集極的電阻成分會加入,使VCE(sat)變大。與MOSFET導通電阻造成的壓降相比,在低電壓、大電流時,MOSFET往往較有利。

在集極電流1 mA下工作的雙極性電晶體,其互導gm大約是多少?(室溫,熱電壓VT ≈ 26 mV)

  1. A約0.38 mS
  2. B約38 mS
  3. C約3.8 S
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正確答案:B. 約38 mS

雙極性電晶體的互導為 gm = IC/VT,1 mA ÷ 26 mV ≈ 38 mS。其特徵是只由電流決定,不受電晶體大小或製造偏差影響。MOSFET的 gm = 2ID/(VGS − Vth) 中,VGS − Vth 通常在0.1 V以上,因此在相同電流下,雙極性電晶體的gm大2〜4倍。這個大的gm,是低雜訊、高增益類比電路使用雙極性電晶體的原因之一。

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相關名詞的解說

功率 MOSFET
能處理大電流與高電壓的 MOSFET。切換速度快,廣泛用於電源電路等。
HBT(異質接面雙載子電晶體)
射極與基極使用能隙不同材料的雙載子電晶體。有 SiGe、GaAs 系等,用於高頻放大器。

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