Transistor — BJT e MOSFET

Un transistor è un dispositivo che permette a una parte di un circuito di controllare la corrente in un'altra parte. Per un rapido confronto tra BJT e MOSFET, l'idea chiave è semplice: un BJT è controllato dalla corrente di base, mentre un MOSFET è controllato principalmente dalla tensione gate-source.

Entrambi possono funzionare come interruttori, ed entrambi possono essere usati per l'amplificazione nelle giuste condizioni. La differenza sta nel modo in cui avviene il controllo e in ciò che il circuito di pilotaggio deve fornire.

Qual è la differenza tra un BJT e un MOSFET?

Un BJT ha tre terminali: base, collettore ed emettitore. In una descrizione di base, una piccola corrente di base può controllare una corrente collettore-emettitore più grande quando il transistor è polarizzato nella regione corretta.

Un MOSFET ha i terminali gate, drain e source. Il gate è isolato, quindi la tensione di gate crea un campo elettrico che modifica la possibilità che la corrente fluisca tra drain e source.

Per questo motivo il confronto viene spesso riassunto così:

• Un BJT richiede una corrente di pilotaggio in ingresso.
• Un MOSFET richiede principalmente la giusta tensione in ingresso.

Questi riassunti sono utili, ma valgono solo quando le condizioni del circuito corrispondono alla modalità di funzionamento prevista.

Intuizione sul BJT in parole semplici

Nei circuiti introduttivi, l'idea principale del BJT è che la giunzione base-emettitore deve essere polarizzata direttamente affinché il transistor conduca nella consueta configurazione NPN. Se questa condizione è soddisfatta, la corrente di collettore può essere molto maggiore della corrente di base.

Nella regione attiva, un'approssimazione comune è

$$I_C \approx \beta I_B$$

dove $I_C$ è la corrente di collettore, $I_B$ è la corrente di base e $\beta$ è il guadagno di corrente.

Questo aiuta a sviluppare intuizione, ma non è una scorciatoia universale. Se stai usando il BJT come interruttore, l'obiettivo di progetto è spesso la saturazione, non un'amplificazione precisa in regione attiva.

Intuizione sul MOSFET senza la solita confusione

Per un MOSFET a canale di arricchimento, la variabile di controllo importante è la tensione gate-source $V_{GS}$. Se $V_{GS}$ è troppo bassa, il canale è debole o assente. Se $V_{GS}$ è abbastanza alta per quel dispositivo specifico e per quel carico, la corrente può fluire in modo significativo.

Il gate di solito assorbe pochissima corrente a regime perché è isolato. Questo è uno dei motivi per cui i MOSFET sono ampiamente usati nei circuiti digitali e nella commutazione di potenza.

L'errore più comune tra i principianti è trattare la tensione di soglia come se significasse "completamente acceso". La soglia di solito indica il punto in cui la conduzione inizia in una certa condizione di prova. Non garantisce una bassa resistenza o una commutazione efficiente alla tua corrente di carico.

Un esempio svolto: commutare un carico con un microcontrollore

Supponiamo che un microcontrollore da $5 \, \text{V}$ debba commutare un carico da $200 \, \text{mA}$.

Con un BJT NPN usato come interruttore, serve una resistenza di base e una corrente di base sufficiente a portare il transistor in saturazione. Se scegli un guadagno forzato di circa $10$ come margine di progetto, allora una corrente di collettore di $200 \, \text{mA}$ suggerisce circa $20 \, \text{mA}$ di corrente di base. Questo può essere vicino al limite di alcuni pin del microcontrollore.

Con un MOSFET n-channel logic-level usato come interruttore low-side, il pin di controllo deve principalmente fornire una tensione di gate adeguata, più che una corrente di gate continua. In funzionamento stazionario, questo è di solito più facile per il microcontrollore. La condizione importante è che il MOSFET sia davvero progettato per accendersi bene alla tensione di gate disponibile.

Questo esempio mostra chiaramente il compromesso pratico. Se il segnale di controllo può fornire tensione ma non molta corrente, un MOSFET è spesso l'interruttore più semplice da usare. Se la corrente è modesta e il circuito è semplice, un BJT può comunque essere una scelta del tutto ragionevole.

Quando si sceglie un BJT invece di un MOSFET

I BJT sono comuni nei piccoli stadi analogici, nei circuiti amplificatori da manuale, negli specchi di corrente e nei semplici compiti di commutazione.

I MOSFET sono comuni nella logica digitale, nell'elettronica di potenza, nella regolazione di tensione e nei circuiti in cui è utile un'elevata impedenza di ingresso.

Nessuno dei due dispositivi è automaticamente migliore. La scelta giusta dipende dalla corrente di carico, dal segnale di pilotaggio disponibile, dalla velocità, dalle perdite di potenza e dal fatto che il circuito sia principalmente analogico o principalmente di commutazione.

Errori comuni nei problemi sui transistor

Usare $I_C \approx \beta I_B$ nella situazione sbagliata

Questa relazione è più utile per ragionare nella regione attiva. Non è un'ipotesi sicura per ogni progetto di commutazione.

Trattare la tensione di soglia del MOSFET come la tensione di accensione necessaria

Un MOSFET può essere sopra soglia e comunque funzionare male come interruttore. Controlla sempre in quali condizioni il dispositivo raggiunge una bassa resistenza di conduzione.

Dimenticare che i gate dei MOSFET sono capacitivi

La corrente di gate è di solito minuscola a regime, ma il gate deve comunque caricarsi e scaricarsi durante la commutazione. Questo conta quando la velocità è importante.

Ignorare il calore

Qualsiasi transistor che presenti una caduta di tensione significativa mentre conduce corrente può dissipare una potenza significativa. I componenti reali hanno limiti termici.

Perché questo è importante in fisica

I transistor collegano la fisica dei semiconduttori ai dispositivi reali. Un BJT dipende dall'iniezione di portatori attraverso le giunzioni, mentre un MOSFET dipende da un campo elettrico che controlla un canale.

Se questo quadro fisico è chiaro, il comportamento del circuito sembra molto meno arbitrario. Non stai memorizzando simboli su uno schema. Stai seguendo come cariche e campi controllano la corrente.

Prova un caso simile

Prendi un semplice circuito di commutazione e poni prima due domande: la sorgente di controllo può fornire corrente con margine, e il dispositivo deve funzionare soprattutto come interruttore o soprattutto come amplificatore? Se vuoi un altro caso pratico, prova una tua versione con una corrente di carico diversa e confronta se si adatta meglio un BJT o un MOSFET.