Erkundung des Unterschieds zwischen MOSFET- und BJT-Transistoren

Was ist ein Transistor in einem Computer?

Was ist ein MOSFET-Airsoft?

Wie klein können MOSFETs werden?

• Da sich die Halbleiterfertigungstechnologie im Laufe der Jahre weiterentwickelt hat, ist die Größe von MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) kontinuierlich geschrumpft. Die Mindeststrukturgröße oder kleinste Abmessung, die zuverlässig auf einem Chip hergestellt werden kann, ist eine gängige Methode zur Beschreibung der Größe von MOSFETs.
• Gemäß Moores Gesetz, das besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip fast alle zwei Jahre verdoppelt, hat sich die Mindeststrukturgröße von MOSFETs allmählich verringert. Innovationen bei Lithografiemethoden und Halbleiterproduktionsverfahren sind für diese Entwicklung verantwortlich.
• Moderne Halbleiterherstellungsprozesse basieren derzeit auf 5-Nanometer-Technologie (nm). Dies bedeutet, dass die minimale MOSFET-Strukturgröße in diesen hochmodernen Chips ungefähr 5 nm beträgt.
• Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Größe eines MOSFET nicht nur von der minimalen Strukturgröße abhängt. Seine Größe wird auch von anderen Elementen beeinflusst, einschließlich der Komplexität des integrierten Schaltkreises, der Anzahl der Schichten und der allgemeinen Architektur des Transistors.
• Um die Größe von MOSFETs weiter zu reduzieren, experimentieren Forscher und Halbleiterhersteller ständig mit neuen Technologien und Methoden. Dazu gehört die Untersuchung anderer Transistorarchitekturen, wie Nanodraht- und Kohlenstoffnanoröhrentransistoren, und die Entwicklung ausgefeilter Lithografietechniken, wie Extrem-Ultraviolett-Lithografie (EUV).
• Es ist wichtig zu beachten, dass die Größe von MOSFETs physikalische Grenzen hat. Quanteneffekte und Leckströme können bei unglaublich kleinen Größen ernsthafte Probleme darstellen. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden und die Leistung und Zuverlässigkeit der MOSFETs bei kleiner werdenden Größen beizubehalten, sind neue Materialien und kreative Methoden erforderlich.

Wofür steht BJT?

Wie funktioniert ein MOSFET?

1. Vorspannung des Substrats: Der MOSFET ist auf einem Silizium-basierten Halbleitersubstrat aufgebaut. Das Substrat wird auf eine bestimmte Spannung vorgespannt, die allgemein als Body-Bias oder Substrat-Bias bezeichnet wird. Der korrekte Betrieb des MOSFET wird durch diese Vorspannung sichergestellt.
2. Source und Drain: Die Source- und Drain-Bereiche im Halbleitersubstrat sind dotierte Bereiche. Normalerweise ist der Drain mit der Last oder der geregelten Komponente verbunden, während die Source mit der Masse oder einem gemeinsamen Referenzpunkt verbunden ist.
3. Gate: Eine als „Gate“ bezeichnete Metallelektrode befindet sich zwischen einem Halbleitersubstrat und einer Isolierschicht, die als „Gateoxid“ bezeichnet wird. Zwischen den Source- und Drain-Bereichen reguliert die Gate-Elektrode den Stromfluss.
4. Kanalbildung: Das Gate-Oxid fungiert als Isolator, wenn keine Spannung angelegt wird, und behindert den Stromfluss zwischen Source und Drain. Wenn jedoch eine positive Spannung an das Gate angelegt wird, wird ein elektrisches Feld erzeugt, das positiv und negativ geladene Träger (Löcher bzw. Elektronen) im Halbleitersubstrat entweder anzieht oder abstößt.
5. Anreicherungsmodus: Wenn eine positive Spannung an das Gate eines Anreicherungsmodus-MOSFET angelegt wird, wird ein elektrisches Feld erzeugt, das Elektronen an die Oberfläche des Substrats zieht und einen leitenden Kanal zwischen den Quell- und Abflussbereichen bildet. Durch diesen Kanal kann Strom von der Quelle zum Abfluss fließen.
6. Verarmungsmodus: In einem Verarmungsmodus-MOSFET erzeugt das Anlegen einer negativen Spannung an das Gate ein elektrisches Feld, das die verfügbaren Träger des Kanals erschöpft und die Leitfähigkeit verringert. Der MOSFET ist in diesem Zustand normalerweise leitend und wird durch Anlegen einer positiven Spannung an das Gate deaktiviert.
7. Gate-Steuerung: Die Leitfähigkeit des Kanals kann durch Anpassen der an das Gate angelegten Spannung geregelt werden, wodurch der MOSFET als Schalter oder Verstärker fungieren kann. Der MOSFET wird aktiviert und lässt Strom zwischen Quelle und Abfluss fließen, wenn die Gate-Spannung über einen vorgegebenen Schwellenwert steigt. Der MOSFET wird ausgeschaltet und der Stromfluss wird gestoppt, wenn die Gate-Spannung unter den Schwellenwert fällt.

Wie funktioniert ein BJT?

1. Vorspannung: Durch Anlegen der richtigen Spannung an die Emitter-, Basis- und Kollektorbereiche des BJT wird dieser vorgespannt. Oft ist der Kollektor mit einer größeren positiven Spannung verbunden, während der Emitter oft mit einem negativeren Potenzial gekoppelt ist. Um das Verhalten des Transistors zu regulieren, wird die Basisspannung in Bezug auf die Emitter- und Kollektorspannungen geregelt.
2. Emitter-Basis-Übergang: Ein in Vorwärtsrichtung vorgespannter pn-Übergang kennzeichnet den Emitter-Basis-Übergang. Die Mehrheit der Ladungsträger (Löcher in einem PNP-Transistor oder Elektronen in einem NPN-Transistor) kann sich vom Emitterbereich zum Basisbereich bewegen, wenn dem Emitter in Bezug auf die Basis eine positive Spannung zugeführt wird.
3. Basisbereich: Im Vergleich zu den Emitter- und Kollektorbereichen ist der Basisbereich unglaublich dünn und kaum dotiert. Er dient als Steuerbereich des Transistors. Ein winziger Teil des Stroms (der Basisstrom) fließt in den Basisbereich, wenn er durch die Emitter-Basis-Verbindung fließt.
4. Basis-Kollektor-Verbindung: Die Basis-Kollektor-Verbindung ist eine solche Verbindung. In der Basis-Kollektor-Verbindung wird eine Verarmungszone gebildet, wenn dem Kollektor in Bezug auf die Basis eine positive Spannung zugeführt wird. Dieser Bereich verhindert, dass sich die Masse der Ladungsträger von der Basis zum Kollektor bewegt.
5. Transistormodi: Der BJT kann im Sperrmodus, im aktiven Modus und im Sättigungsmodus funktionieren.

• Sperrmodus: Wenn sich der Transistor im Sperrmodus befindet, fließt kein Strom durch ihn, weil die Basis-Emitter-Verbindung in Sperrrichtung vorgespannt ist. Der Transistor ist praktisch ausgeschaltet.
• Aktivmodus: Strom kann vom Emitter zur Basis fließen, wenn die Basis-Emitter-Verbindung in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Da der Kollektorstrom umgekehrt proportional zum Basisstrom ist, funktioniert der Transistor als Verstärker.
• Sättigungsmodus: Während des Sättigungsmodus sind sowohl die Basis-Kollektor- als auch die Basis-Emitter-Verbindung in Durchlassrichtung vorgespannt. Dadurch funktioniert der Transistor als geschlossener Schalter und ermöglicht einen erheblichen Stromfluss vom Kollektor zum Emitter.

1. Verstärkung: Eine Signalverstärkung ist möglich, wenn der BJT im aktiven Modus betrieben wird. Ein Signal wird verstärkt, da der bescheidene Basisstrom einen deutlich höheren Kollektorstrom antreibt. Aufgrund dieser Eigenschaft eignen sich BJTs gut für den Einsatz in Schaltkreisen wie Verstärkern, Schaltern und digitaler Logik.

Unterschied zwischen MOSFET und BJT

• Der BJT (stromgesteuert) ist ein bipolarer Sperrschichttransistor, während der MOSFET (spannungsgesteuert) ein Metalloxid-Halbleiter ist.
• Obwohl sie jeweils drei Anschlüsse haben, sind diese unterschiedlich. Im Gegensatz zum BJT, der eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor hat, hat der MOSFET eine Quelle, einen Abfluss und ein Gate.
• Ein MOSFET hängt von der Spannung an der oxidisolierten Gate-Elektrode ab, während ein BJT vom Strom an seinem Basisanschluss abhängt.
• Der Aufbau eines MOSFET ist natürlich komplizierter als der eines BJT.
• MOSFET wird für Hochleistungsanwendungen eingesetzt, während BJT für Niedrigstromanwendungen verwendet wird.
• Moderne analoge und digitale Schaltkreise verwenden häufiger MOSFETs als BJTs.
• Der MOSFET ist ein spannungsgesteuertes Gerät, während der BJT ein stromgesteuertes Gerät ist.

Video zum Unterschied zwischen MOSFET und BJT

Vorteile und Nachteile von MOSFET und BJT

Vorteile von MOSFET und BJT

• Es ist einfach herzustellen.
• Es ermöglicht eine schnelle Bedienung.
• Im Vergleich zu JFET wird es häufiger verwendet.
• Digitale Schaltkreise verwenden MOSFETs vom Typ „Verstärkung“.
• Der Drain-Widerstand des MOSFET ist aufgrund des geringen Kanalwiderstands hoch.
• Der geringe Stromverbrauch ermöglicht es, mehr Komponenten außerhalb des Bereichs auf jedem Chip zu platzieren.
• Es fehlt eine Gate-Diode, sodass ein Betrieb mit positiver oder negativer Gate-Spannung möglich ist.

• Hohe Stromverstärkung: Die Stromverstärkung oder der Beta-Wert () von BJTs ist hoch. BJTs eignen sich daher hervorragend für Anwendungen, bei denen schwache Signale verstärkt werden müssen, da ein kleiner Basisstrom einen größeren Kollektorstrom erzeugen kann.
• Geringe Sättigungsspannung: Bei Verwendung im Sättigungsbereich haben BJTs eine niedrige Sättigungsspannung. Dies ermöglicht effektives Schalten und verringert die Verlustleistung in Geräten wie Motortreibern und Leistungsverstärkern.
• Robustheit: Im Vergleich zu MOSFETs sind BJTs oft robuster und können höheren Strom- und Spannungspegeln standhalten. Sie sind weniger anfällig für Schäden durch Spannungsspitzen oder elektrostatische Entladung und können eine größere Verlustleistung bewältigen.
• Einfache Vorspannung: Im Vergleich zu MOSFETs verfügen BJTs über eine einfachere Vorspannungstechnik. Sie können in einigen Anwendungen einfacher eingesetzt werden, da sie keine Gate-Spannung oder komplizierte Vorspannungsnetzwerke benötigen.
• Temperaturstabilität: Im Vergleich zu MOSFETs weisen BJTs eine höhere Temperaturstabilität auf. Sie eignen sich für Anwendungen, die eine zuverlässige Leistung über einen weiten Temperaturbereich erfordern, da ihre Eigenschaften weniger von Temperaturschwankungen beeinflusst werden.

Nachteile von MOSFET und BJT

• Die Lebensdauer eines Mosfet ist ziemlich kurz.
• Die Mosfets können durch elektrostatische Entladung beschädigt werden.
• Für eine fehlerfreie Messung müssen viele Kalibrierungen durchgeführt werden.
• Überspannung kann zu einem Durchschlag oder Ausfall der Mosfets führen, da sie dafür anfällig sind.

• Es ist weniger störresistent.
• BJTs schalten langsamer.
• Die Eingangsimpedanz von BJTs ist niedrig. Daher ist mehr Pufferung erforderlich.
• BJTs verbrauchen normalerweise mehr Leistung, was zu Leistungsverlusten führt.
• BJTs sind thermisch weniger stabil als Mosfets. Sie sind daher temperaturempfindlicher. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zwischen BJT und Mosfet.

Anwendungen von MOSFET und BJT

MOSFET-Anwendungen

• Leistungsverstärker: MOSFETs können Signale mit geringer Verzerrung und hoher Ausgangsleistung effektiv verstärken, was sie zur bevorzugten Wahl für Leistungsverstärker in Audiosystemen macht.
• Schaltnetzteile: In Schaltnetzteilen werden häufig MOSFETs verwendet, um elektrische Energie effizient zu steuern und umzuwandeln. Sie ermöglichen Hochfrequenzschalten, wodurch Netzteildesigns für kleinere und leichtere Lasten möglich werden.
• Motorsteuerung: Zur präzisen Geschwindigkeits- und Richtungssteuerung von Elektromotoren werden MOSFETs in Motorsteuerungsschaltungen verwendet. Aufgrund ihrer schnellen Schaltgeschwindigkeiten und minimalen Verlustleistung eignen sie sich für Hochleistungsanwendungen zur Motorsteuerung.
• LED-Beleuchtung: Um die Helligkeit von LEDs zu verringern und zu regulieren, werden in LED-Beleuchtungsanwendungen MOSFETs eingesetzt. Sie können die großen Ströme bewältigen, die zum Antreiben von LEDs erforderlich sind, und bieten ein effektives Energiemanagement.
• Solarstromsysteme: MOSFETs werden in Solarstromsystemen zur Stromumwandlung und zur Nachführung des maximalen Leistungspunkts (MPPT) eingesetzt. Sie ermöglichen es Batterien oder dem Netz, Strom von Solarmodulen effizient zu übertragen.
• Mikroprozessoren und Speicher: MOSFETs sind die primären Bausteine von Speicher- und Mikroprozessorchips. In Computern und anderen elektronischen Geräten dienen sie als grundlegende Bauelemente digitaler Logikschaltungen und ermöglichen die Datenverarbeitung und -speicherung.

BJT-Anwendungen

• Audioverstärker: BJTs werden häufig in Audioverstärkern eingesetzt, um schwache Audiosignale auf höhere Leistungspegel zu bringen. Sie eignen sich für Hi-Fi-Audioanwendungen, da sie eine geringe Verzerrung und eine hohe Verstärkung aufweisen.
• Hochfrequenzverstärker (RF): BJTs werden in Hochfrequenzverstärkern (RF) verwendet, die in Kommunikationssystemen zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen eingesetzt werden. Aufgrund ihrer hohen Verstärkung und großen Bandbreite sorgen sie für eine effektive Signalverstärkung in drahtlosen Kommunikationssystemen.
• Schaltkreise: Digitale Logikschaltungen und Leistungssteuerungsanwendungen verwenden häufig BJTs als Schalter. Sie eignen sich für Anwendungen, die schnelles Schalten und eine hohe Leistungshandhabung erfordern, da sie hohe Ströme und Spannungen bewältigen können.
• Spannungsregler: Zur Regulierung und Stabilisierung von Spannungspegeln verwenden Spannungsreglerschaltungen BJTs. Trotz Änderungen der Eingangsspannung oder der Lastbedingungen helfen sie dabei, eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.
• Oszillatoren: Oszillatorschaltungen verwenden BJTs, um kontinuierliche Wellen mit vorgegebenen Frequenzen zu erzeugen. Sie sind wichtige Teile von Zeitschaltkreisen, Signalgeneratoren und Funksendern.
• Automobilelektronik: BJTs werden in Motorsteuergeräten (ECUs), Zündsystemen und Energiemanagementmodulen in der Automobilindustrie verwendet. In anspruchsvollen Automobilumgebungen bieten sie zuverlässige Schalt- und Verstärkungsvorgänge.

Fazit