L’eterna sfida tra BJT e MOSFET

I transistor a giunzione bipolare (BJT) e i transistor a effetto di campo (FET) sono le tipologie di transistor maggiormente presenti nei circuiti elettronici. Entrambi sono dispositivi a semiconduttore utilizzati per l'amplificazione del segnale e per scopi di commutazione. Condividono alcune somiglianze ma differiscono in termini di struttura, caratteristiche e applicazioni. Comprendere i vantaggi di ciascun tipo di transistor aiuta i progettisti a selezionare il componente più appropriato per le loro esigenze particolari. In questo articolo, effettueremo un'analisi comparativa tra due tipi di transistor: il BJT e il MOSFET.

Introduzione

Nel transistor a giunzione bipolare (BJT), il termine bipolare sta ad indicare il fatto che in questo transistor vengono utilizzati sia le lacune che gli elettroni per la conduzione di corrente. Il transistor a effetto di campo metallo ossido semiconduttore (MOSFET), invece, è un transistor unipolare e ciò significa che la conduzione della corrente avviene o attraverso il flusso di elettroni (MOSFET a canale N) o attraverso le lacune (MOSFET a canale P).

Entrambi i transistor possono amplificare un segnale o commutare un carico ad alta potenza utilizzando un segnale molto piccolo.

Struttura e funzionamento

Il BJT è suddiviso in tre regioni in base al drogaggio:

La regione di emettitore, che è altamente drogata
La regione di base leggermente drogata
La regione di collettore che è moderatamente drogata

Ogni BJT ha due giunzioni PN chiamate giunzione Emettitore-Base (EB) e giunzione Collettore-Base (CB). A seconda della polarizzazione di queste due giunzioni, il BJT può funzionare in diverse modalità:

Cut-off, quando entrambe le giunzioni sono polarizzate in inversa. Utilizzata nei commutatori
Attiva, quando EB polarizzata in diretta e CB in inversa. Utilizzata per amplificare
Saturazione, quando entrambe le giunzioni sono polarizzate in diretta. Utilizzata nei commutatori

Un MOSFET presenta tre regioni denominate: source, drain e gate. Il substrato, detto anche body, è costituito da un semiconduttore drogato. Le due regioni, source e drain, sono poste sopra il semiconduttore drogato. I terminali di source e drain sono anch'essi composti da semiconduttore drogato però in maniera opposta: se il substrato ha un drogaggio di tipo p i due terminali hanno drogaggio di tipo n, e viceversa. Tra il terminale di source e quello di drain è presente uno strato di ossido che funge da isolante. Sopra lo strato di ossido è presente una piastra metallica su cui posizionare il terminale gate.

La struttura del MOSFET è tale che la regione di gate è posta sopra lo strato di ossido isolante. Ciò fa sì che il gate sia elettricamente isolato dal resto del circuito. Il fatto di essere elettricamente isolato, tuttavia, non gli impedisce di poter controllare il flusso di corrente che scorre da source verso il drain. Quando viene applicata una tensione ai capi del gate-source, si stabilisce un campo elettrico che controlla il percorso conduttivo tra il source e il drain, modulando così la corrente che scorre tra essi. Il MOSFET può quindi funzionare in diverse modalità:

Cut-off, quando V_GS < V_th dove V_th tensione di soglia. Utilizzata nei commutatori
Lineare, quando V_GS ≥ V_th e V_DS ≤ V_ov dove V_ov = V_GS - V_th. Utilizzata per amplificare
Saturazione, quando V_GS ≥ V_th e V_DS ≥ V_ov. Utilizzata nei commutatori

La Figura 1 mostra la struttura del BJT NPN e del MOSFET a canale N.

Figura 1: Struttura del BJT NPN e del MOSFET a canale N

Caratteristiche comparate

Entrambe le tipologie di transistor possono essere usate come dispositivi di commutazione, ovvero interruttori. Per funzionare come un interruttore aperto, un BJT opera in modalità cut-off, qui la corrente del collettore è pari a zero, il che significa che idealmente il BJT non consuma energia. D'altra parte, per funzionare come un interruttore chiuso, un BJT opera in modalità saturazione, con un'elevata corrente di collettore e una tensione di collettore pari a zero, il che significa che idealmente le perdite di conduzione nel BJT sono pari a zero. Le perdite di conduzione si verificano quando il transistor è nello stato attivo e conduce corrente. Queste perdite sono dovute alla resistenza del canale del transistor, che provoca dissipazione di potenza e generazione di calore. Le perdite di conduzione sono proporzionali alla corrente che scorre attraverso il transistor e aumentano all'aumentare della temperatura di funzionamento.

I MOSFET, però, hanno velocità di commutazione più elevate e perdite di commutazione inferiori rispetto ai BJT. Le perdite di commutazione in un transistor si riferiscono alle perdite di energia che si verificano durante la transizione tra lo stato acceso e quello spento. Quando un transistor passa dallo stato spento (non conduttivo) allo stato acceso (conduttivo) o viceversa, c'è un breve periodo in cui il transistor sta effettuando la transizione. Durante questa transizione, il transistor opera in una regione in cui sia la tensione che la corrente cambiano contemporaneamente, determinando dissipazione di potenza e perdite di energia.

I BJT hanno frequenze di commutazione fino a centinaia di kHz, mentre i MOSFET possono commutare facilmente dispositivi nella gamma dei MHz. Pertanto, per le applicazioni ad alta frequenza in cui le perdite di commutazione hanno un ruolo importante nella perdita di potenza totale, è preferibile il MOSFET.

I BJT sono dispositivi ad alta tensione e bassa corrente. Ciò significa che, in condizioni operative normali, un BJT può gestire decine di ampere e resistere fino a mille volt e oltre. I BJT non vengono danneggiati facilmente dall'elettricità statica, sono più economici e più facili da polarizzare rispetto ai MOSFET. I BJT sono l'opzione migliore per applicazioni a bassa corrente come la commutazione di relè, LED e amplificatori.

I MOSFET sono più costosi dei BJT, ma non soffrono del problema di secondary breakdown come i BJT. Hanno anche un coefficiente di temperatura positivo, il che facilita il funzionamento in parallelo. Il funzionamento in parallelo è una tecnica di progettazione utile quando si desidera aumentare la capacità di gestione della potenza nel circuito. Si tratta semplicemente di collegare i transistor in parallelo quando la corrente nel circuito è superiore a quella che può essere gestita da un transistor.

I MOSFET presentano circuiti di pilotaggio del gate più facili da progettare rispetto ai circuiti di pilotaggio della base dei BJT. La ragione di ciò è che generalmente in elettronica è più facile fornire una tensione costante che fornire una corrente costante. Quindi, fortunatamente per i MOSFET, poiché sono dispositivi controllati in tensione, diventano più facili da pilotare. I BJT d'altra parte sono dispositivi controllati dalla corrente, quindi le cose sono un pò complicate per loro.

In Tabella 1 vengono riassunte le principali caratteristiche di BJT e MOSFET.

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