ทรานซิสเตอร์ — BJT และ MOSFET

ทรานซิสเตอร์คืออุปกรณ์ที่ทำให้ส่วนหนึ่งของวงจรควบคุมกระแสในอีกส่วนหนึ่งได้ ถ้าจะเปรียบเทียบ BJT กับ MOSFET แบบสั้น ๆ แนวคิดสำคัญคือ BJT ถูกควบคุมด้วยกระแสที่ขาเบส ส่วน MOSFET ถูกควบคุมหลัก ๆ ด้วยแรงดันระหว่างเกตกับซอร์ส

ทั้งสองแบบใช้เป็นสวิตช์ได้ และทั้งสองแบบก็ใช้ขยายสัญญาณได้เมื่ออยู่ในเงื่อนไขที่เหมาะสม ความต่างอยู่ที่วิธีการควบคุม และวงจรขับต้องจ่ายอะไรให้บ้าง

BJT กับ MOSFET ต่างกันอย่างไร?

BJT มี 3 ขา คือ เบส คอลเลกเตอร์ และอีมิตเตอร์ ในภาพรวมแบบพื้นฐาน กระแสเบสขนาดเล็กสามารถควบคุมกระแสคอลเลกเตอร์-อีมิตเตอร์ที่มากกว่าได้ เมื่อทรานซิสเตอร์ถูกไบอัสอยู่ในย่านที่เหมาะสม

MOSFET มีขาเกต เดรน และซอร์ส โดยเกตถูกแยกฉนวนไว้ ดังนั้นแรงดันที่เกตจึงสร้างสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนเงื่อนไขว่ากระแสจะไหลระหว่างเดรนกับซอร์สได้หรือไม่

จึงมักสรุปความต่างกันแบบนี้:

• BJT ต้องการกระแสขับที่อินพุต
• MOSFET ต้องการแรงดันอินพุตที่เหมาะสมเป็นหลัก

สรุปแบบนี้มีประโยชน์ แต่จะใช้ได้ก็ต่อเมื่อเงื่อนไขของวงจรตรงกับโหมดการทำงานที่ตั้งใจไว้

ทำความเข้าใจ BJT แบบภาษาง่าย ๆ

ในวิชาวงจรเบื้องต้น แนวคิดหลักของ BJT คือรอยต่อเบส-อีมิตเตอร์ต้องถูกไบอัสตรงก่อน ทรานซิสเตอร์จึงจะนำกระแสได้ในวงจร NPN ทั่วไป ถ้าเงื่อนไขนี้เป็นจริง กระแสคอลเลกเตอร์อาจมากกว่ากระแสเบสมาก

ในย่านแอกทีฟ มักประมาณได้ว่า

$$I_C \approx \beta I_B$$

โดยที่ $I_C$ คือกระแสคอลเลกเตอร์, $I_B$ คือกระแสเบส และ $\beta$ คืออัตราขยายกระแส

ความสัมพันธ์นี้ช่วยให้เห็นภาพได้ดี แต่ไม่ใช่ทางลัดที่ใช้ได้ทุกกรณี ถ้าคุณใช้ BJT เป็นสวิตช์ เป้าหมายในการออกแบบมักเป็นภาวะอิ่มตัว ไม่ใช่การขยายในย่านแอกทีฟอย่างแม่นยำ

ทำความเข้าใจ MOSFET โดยไม่สับสนแบบที่พบบ่อย

สำหรับ MOSFET แบบ enhancement-mode ตัวแปรควบคุมที่สำคัญคือแรงดันระหว่างเกตกับซอร์ส $V_{GS}$ ถ้า $V_{GS}$ ต่ำเกินไป แชนเนลจะอ่อนมากหรือยังไม่เกิดขึ้น แต่ถ้า $V_{GS}$ สูงพอสำหรับอุปกรณ์และโหลดตัวนั้น กระแสก็จะไหลได้ดี

โดยทั่วไปเกตจะกินกระแสคงที่น้อยมาก เพราะมีฉนวนกั้นอยู่ นี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่ MOSFET ถูกใช้แพร่หลายในวงจรดิจิทัลและงานสวิตชิ่งกำลัง

ความผิดพลาดที่ผู้เริ่มต้นมักทำคือคิดว่าแรงดัน threshold หมายถึง “เปิดเต็มที่แล้ว” จริง ๆ แล้ว threshold มักหมายถึงจุดที่เริ่มนำกระแสภายใต้เงื่อนไขการทดสอบเท่านั้น มันไม่ได้รับประกันว่าความต้านทานจะต่ำหรือสวิตช์จะทำงานได้มีประสิทธิภาพที่กระแสโหลดของคุณ

ตัวอย่างคำนวณ: ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์สวิตช์โหลด

สมมติว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ $5 \, \text{V}$ ต้องใช้สวิตช์ควบคุมโหลด $200 \, \text{mA}$

ถ้าใช้ NPN BJT เป็นสวิตช์ คุณต้องมีตัวต้านทานที่ขาเบส และต้องมีกระแสเบสมากพอที่จะขับทรานซิสเตอร์เข้าสู่ภาวะอิ่มตัว ถ้าเลือก forced gain ประมาณ $10$ เพื่อเผื่อความปลอดภัยในการออกแบบ กระแสคอลเลกเตอร์ $200 \, \text{mA}$ จะบอกเป็นนัยว่าต้องใช้กระแสเบสราว $20 \, \text{mA}$ ซึ่งอาจใกล้ขีดจำกัดของขาไมโครคอนโทรลเลอร์บางรุ่น

ถ้าใช้ logic-level n-channel MOSFET เป็นสวิตช์ด้านล่าง วงจรควบคุมหลัก ๆ ต้องจ่ายแรงดันเกตที่เหมาะสม มากกว่าจะต้องจ่ายกระแสเกตอย่างต่อเนื่อง ในสภาวะคงตัว แบบนี้มักง่ายกว่าสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ แต่มีเงื่อนไขสำคัญคือ MOSFET ต้องถูกระบุสเปกไว้ว่าสามารถเปิดได้ดีจริงที่แรงดันเกตที่คุณมี

ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นข้อแลกเปลี่ยนในทางปฏิบัติอย่างชัดเจน ถ้าสัญญาณควบคุมให้แรงดันได้แต่ให้กระแสได้น้อย MOSFET มักเป็นสวิตช์ที่ใช้ง่ายกว่า แต่ถ้ากระแสไม่มากและวงจรง่าย BJT ก็อาจเหมาะสมอย่างสมบูรณ์

คนมักเลือก BJT หรือ MOSFET เมื่อไร

BJT พบได้บ่อยในวงจรแอนะล็อกขนาดเล็ก วงจรขยายสัญญาณตามตำรา current mirror และงานสวิตชิ่งแบบง่าย

MOSFET พบได้บ่อยในลอจิกดิจิทัล อิเล็กทรอนิกส์กำลัง การควบคุมแรงดัน และวงจรที่ต้องการอิมพีแดนซ์ขาเข้าสูง

ไม่มีอุปกรณ์ตัวไหนดีกว่าโดยอัตโนมัติ การเลือกที่ถูกต้องขึ้นอยู่กับกระแสโหลด สัญญาณขับที่มี ความเร็ว การสูญเสียกำลัง และว่าวงจรนั้นเน้นแอนะล็อกหรือเน้นสวิตชิ่งเป็นหลัก

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในโจทย์ทรานซิสเตอร์

ใช้ $I_C \approx \beta I_B$ ผิดสถานการณ์

ความสัมพันธ์นี้มีประโยชน์มากที่สุดสำหรับการวิเคราะห์ในย่านแอกทีฟ ไม่ใช่สมมติฐานที่ปลอดภัยสำหรับงานออกแบบสวิตชิ่งทุกแบบ

คิดว่าแรงดัน threshold ของ MOSFET คือแรงดันเปิดที่ต้องใช้

MOSFET อาจมีแรงดันสูงกว่า threshold แล้ว แต่ยังทำงานเป็นสวิตช์ได้ไม่ดี ควรตรวจสอบเสมอว่าอุปกรณ์มี on-resistance ต่ำภายใต้เงื่อนไขใด

ลืมไปว่าเกตของ MOSFET มีลักษณะเป็นตัวเก็บประจุ

กระแสเกตในสภาวะคงตัวมักน้อยมาก แต่ระหว่างการสวิตช์ เกตก็ยังต้องถูกชาร์จและคายประจุ เรื่องนี้สำคัญเมื่อความเร็วมีผล

มองข้ามความร้อน

ทรานซิสเตอร์ใดก็ตามที่มีแรงดันตกคร่อมมากขณะมีกระแสไหล อาจสลายกำลังได้มากเช่นกัน อุปกรณ์จริงมีขีดจำกัดทางความร้อนเสมอ

ทำไมเรื่องนี้จึงสำคัญในฟิสิกส์

ทรานซิสเตอร์เชื่อมฟิสิกส์ของสารกึ่งตัวนำเข้ากับอุปกรณ์จริง BJT อาศัยการฉีดพาหะผ่านรอยต่อ ส่วน MOSFET อาศัยสนามไฟฟ้าในการควบคุมแชนเนล

ถ้าภาพทางกายภาพนี้ชัดเจน พฤติกรรมของวงจรจะดูไม่ใช่เรื่องจำแบบไร้เหตุผลอีกต่อไป คุณไม่ได้แค่จำสัญลักษณ์บนแผนภาพ แต่กำลังติดตามว่าประจุและสนามไฟฟ้าควบคุมกระแสอย่างไร

ลองกรณีที่คล้ายกัน

ลองดูวงจรสวิตชิ่งง่าย ๆ สักวงจร แล้วถามก่อนสองข้อ: แหล่งสัญญาณควบคุมจ่ายกระแสได้สบายหรือไม่ และอุปกรณ์ต้องทำงานเป็นสวิตช์เป็นหลักหรือเป็นตัวขยายเป็นหลัก ถ้าคุณอยากลองฝึกเพิ่ม ให้เปลี่ยนค่ากระแสโหลดแล้วเปรียบเทียบว่า BJT หรือ MOSFET เหมาะกว่ากัน