Τρανζίστορ — BJT και MOSFET

Ένα τρανζίστορ είναι μια διάταξη που επιτρέπει σε ένα μέρος ενός κυκλώματος να ελέγχει το ρεύμα σε ένα άλλο μέρος. Για μια γρήγορη σύγκριση BJT και MOSFET, η βασική ιδέα είναι απλή: ένα BJT ελέγχεται από το ρεύμα βάσης, ενώ ένα MOSFET ελέγχεται κυρίως από την τάση πύλης-πηγής.

Και τα δύο μπορούν να λειτουργήσουν ως διακόπτες, και και τα δύο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ενίσχυση στις κατάλληλες συνθήκες. Η διαφορά είναι στον τρόπο με τον οποίο γίνεται ο έλεγχος και στο τι πρέπει να παρέχει το κύκλωμα οδήγησης.

Ποια Είναι Η Διαφορά Μεταξύ Ενός BJT Και Ενός MOSFET;

Ένα BJT έχει τρεις ακροδέκτες: βάση, συλλέκτη και εκπομπό. Σε μια βασική περιγραφή, ένα μικρό ρεύμα βάσης μπορεί να ελέγχει ένα μεγαλύτερο ρεύμα συλλέκτη-εκπομπού όταν το τρανζίστορ πολώνεται στη σωστή περιοχή.

Ένα MOSFET έχει ακροδέκτες πύλης, απαγωγού και πηγής. Η πύλη είναι μονωμένη, οπότε η τάση πύλης δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο που αλλάζει το αν μπορεί να ρέει ρεύμα μεταξύ απαγωγού και πηγής.

Γι’ αυτό οι άνθρωποι συχνά συνοψίζουν τη διαφορά ως εξής:

• Ένα BJT χρειάζεται ρεύμα οδήγησης στην είσοδο.
• Ένα MOSFET χρειάζεται κυρίως τη σωστή τάση εισόδου.

Αυτές οι συνοπτικές περιγραφές είναι χρήσιμες, αλλά ισχύουν μόνο όταν οι συνθήκες του κυκλώματος ταιριάζουν με τον επιδιωκόμενο τρόπο λειτουργίας.

Διαισθητική Κατανόηση Του BJT Με Απλά Λόγια

Στα εισαγωγικά κυκλώματα, η βασική ιδέα για το BJT είναι ότι η επαφή βάσης-εκπομπού πρέπει να είναι ορθά πολωμένη ώστε το τρανζίστορ να άγει στη συνηθισμένη διάταξη NPN. Αν αυτή η συνθήκη ικανοποιείται, το ρεύμα συλλέκτη μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερο από το ρεύμα βάσης.

Στην ενεργό περιοχή, μια συνηθισμένη προσέγγιση είναι

$$I_C \approx \beta I_B$$

όπου $I_C$ είναι το ρεύμα συλλέκτη, $I_B$ είναι το ρεύμα βάσης και $\beta$ είναι το κέρδος ρεύματος.

Αυτό βοηθά στη διαισθητική κατανόηση, αλλά δεν είναι ένα καθολικό συντομευτικό. Αν χρησιμοποιείς το BJT ως διακόπτη, ο σχεδιαστικός στόχος είναι συχνά ο κορεσμός και όχι η ακριβής ενίσχυση στην ενεργό περιοχή.

Διαισθητική Κατανόηση Του MOSFET Χωρίς Τη Συνήθη Σύγχυση

Για ένα MOSFET τύπου enhancement, η σημαντική μεταβλητή ελέγχου είναι η τάση πύλης-πηγής $V_{GS}$. Αν το $V_{GS}$ είναι πολύ χαμηλό, το κανάλι είναι ασθενές ή ανύπαρκτο. Αν το $V_{GS}$ είναι αρκετά υψηλό για τη συγκεκριμένη διάταξη και το συγκεκριμένο φορτίο, το ρεύμα μπορεί να ρέει έντονα.

Η πύλη συνήθως τραβά πολύ μικρό ρεύμα στη μόνιμη κατάσταση επειδή είναι μονωμένη. Αυτός είναι ένας λόγος που τα MOSFET χρησιμοποιούνται ευρέως στα ψηφιακά κυκλώματα και στη μεταγωγή ισχύος.

Το βασικό λάθος των αρχαρίων είναι να θεωρούν την τάση κατωφλίου ως «πλήρως ενεργοποιημένο». Η τάση κατωφλίου συνήθως δείχνει το σημείο όπου αρχίζει η αγωγή υπό μια συνθήκη δοκιμής. Δεν εγγυάται χαμηλή αντίσταση ή αποδοτική μεταγωγή στο δικό σου ρεύμα φορτίου.

Ένα Παράδειγμα: Μεταγωγή Φορτίου Από Μικροελεγκτή

Υπόθεσε ότι ένας μικροελεγκτής $5 \, \text{V}$ πρέπει να μεταγάγει ένα φορτίο $200 \, \text{mA}$.

Με ένα NPN BJT που χρησιμοποιείται ως διακόπτης, χρειάζεσαι μια αντίσταση βάσης και αρκετό ρεύμα βάσης ώστε να οδηγήσεις το τρανζίστορ σε κορεσμό. Αν επιλέξεις ένα εξαναγκασμένο κέρδος περίπου $10$ ως περιθώριο σχεδίασης, τότε ένα ρεύμα συλλέκτη $200 \, \text{mA}$ υποδεικνύει περίπου $20 \, \text{mA}$ ρεύματος βάσης. Αυτό μπορεί να είναι κοντά στο όριο ορισμένων ακροδεκτών μικροελεγκτή.

Με ένα logic-level n-channel MOSFET που χρησιμοποιείται ως διακόπτης χαμηλής πλευράς, ο ακροδέκτης ελέγχου πρέπει κυρίως να παρέχει κατάλληλη τάση πύλης και όχι συνεχές ρεύμα πύλης. Σε μόνιμη λειτουργία, αυτό είναι συνήθως ευκολότερο για τον μικροελεγκτή. Η προϋπόθεση είναι σημαντική: το MOSFET πρέπει πράγματι να είναι κατάλληλα προδιαγεγραμμένο ώστε να ενεργοποιείται σωστά στη διαθέσιμη τάση πύλης.

Αυτό το παράδειγμα δείχνει καθαρά τον πρακτικό συμβιβασμό. Αν το σήμα ελέγχου μπορεί να παρέχει τάση αλλά όχι πολύ ρεύμα, ένα MOSFET είναι συχνά ο ευκολότερος διακόπτης. Αν το ρεύμα είναι μέτριο και το κύκλωμα είναι απλό, ένα BJT μπορεί πάλι να είναι απολύτως λογική επιλογή.

Πότε Επιλέγουν Οι Άνθρωποι BJT Ή MOSFET

Τα BJT είναι συνηθισμένα σε μικρά αναλογικά στάδια, σε κυκλώματα ενισχυτών των βιβλίων, σε καθρέφτες ρεύματος και σε απλές εργασίες μεταγωγής.

Τα MOSFET είναι συνηθισμένα στην ψηφιακή λογική, στα ηλεκτρονικά ισχύος, στη ρύθμιση τάσης και σε κυκλώματα όπου είναι χρήσιμη η υψηλή αντίσταση εισόδου.

Καμία από τις δύο διατάξεις δεν είναι αυτόματα καλύτερη. Η σωστή επιλογή εξαρτάται από το ρεύμα φορτίου, το διαθέσιμο σήμα οδήγησης, την ταχύτητα, τις απώλειες ισχύος και από το αν το κύκλωμα είναι κυρίως αναλογικό ή κυρίως μεταγωγικό.

Συνηθισμένα Λάθη Σε Προβλήματα Με Τρανζίστορ

Χρήση της σχέσης $I_C \approx \beta I_B$ σε λάθος περίπτωση

Αυτή η σχέση είναι πιο χρήσιμη για συλλογισμούς στην ενεργό περιοχή. Δεν είναι ασφαλής υπόθεση για κάθε σχεδίαση διακόπτη.

Αντιμετώπιση της τάσης κατωφλίου MOSFET ως της τάσης ενεργοποίησης που χρειάζεσαι

Ένα MOSFET μπορεί να είναι πάνω από την τάση κατωφλίου και παρ’ όλα αυτά να αποδίδει άσχημα ως διακόπτης. Πάντα να ελέγχεις υπό ποιες συνθήκες η διάταξη φτάνει σε χαμηλή αντίσταση αγωγής.

Ξεχνώντας ότι οι πύλες των MOSFET είναι χωρητικές

Το ρεύμα πύλης είναι συνήθως πολύ μικρό στη μόνιμη κατάσταση, αλλά η πύλη πρέπει παρ’ όλα αυτά να φορτίζεται και να εκφορτίζεται κατά τη μεταγωγή. Αυτό έχει σημασία όταν η ταχύτητα έχει σημασία.

Αγνόηση της θερμότητας

Κάθε τρανζίστορ που εμφανίζει σημαντική πτώση τάσης ενώ διαρρέεται από ρεύμα μπορεί να διαχέει σημαντική ισχύ. Τα πραγματικά εξαρτήματα έχουν θερμικά όρια.

Γιατί Αυτό Έχει Σημασία Στη Φυσική

Τα τρανζίστορ συνδέουν τη φυσική των ημιαγωγών με πραγματικές διατάξεις. Ένα BJT εξαρτάται από την έγχυση φορέων μέσα από επαφές, ενώ ένα MOSFET εξαρτάται από ένα ηλεκτρικό πεδίο που ελέγχει ένα κανάλι.

Αν αυτή η φυσική εικόνα είναι ξεκάθαρη, η συμπεριφορά του κυκλώματος φαίνεται πολύ λιγότερο αυθαίρετη. Δεν απομνημονεύεις απλώς σύμβολα σε ένα διάγραμμα. Παρακολουθείς πώς το φορτίο και τα πεδία ελέγχουν το ρεύμα.

Δοκίμασε Μια Παρόμοια Περίπτωση

Πάρε ένα απλό κύκλωμα μεταγωγής και κάνε πρώτα δύο ερωτήσεις: μπορεί η πηγή ελέγχου να παρέχει άνετα ρεύμα και πρέπει η διάταξη να λειτουργεί κυρίως ως διακόπτης ή κυρίως ως ενισχυτής; Αν θέλεις άλλη μία περίπτωση εξάσκησης, δοκίμασε τη δική σου εκδοχή με διαφορετικό ρεύμα φορτίου και σύγκρινε αν ταιριάζει καλύτερα ένα BJT ή ένα MOSFET.