Lezione 1

Capitolo 3
Confronto tra BJT e MOSFET
3.1 Considerazioni generali
Per stabilire in quali applicazioni è più conveniente utilizzare un transistore bipolare piuttosto che un transistore MOS,
è necessario effettuare un confronto fra queste due tecnologie di fabbricazione. In effetti le tecnologie di fabbricazione dei
dispositivi a transistore sono tre: Bipolare, CMOS e BiCMOS, quest’ultima è una combinazione delle prime due.
La scelta viene effettuata, a parità di prestazioni richieste dal progettista, in base al costo minore: la tecnologia meno
costosa è la CMOS, seguono nell’ordine la Bipolare e la BiCMOS.
3.1.1 Specifiche di confronto
Occupazione di area
Minore è l’occupazione di area del dispositivo (chip) maggiore è il numero di dispositivi che si riesce a fabbricare in
una singola fetta di Silicio (wafer); ciò implica la possibilità di abbassare il prezzo del dispositivo (cioè essere più
competitivi sul mercato) oppure di avere un maggiore guadagno a parità di costo. L’area minima di un MOSFET è circa di
5µm 2 , perché la lunghezza minima di canale, data dalla tecnologia più avanzata al momento, è di 1µm e la lunghezza del
source e del drain è circa il doppio.
G
B
S
D
1µm
ox
5µm
S
G
p+
D
n+
n+
1µm
Fig. 3.1
Sezione trasversale e vista dall’alto di un MOSFET
A parità di livello tecnologico il BJT ha un’occupazione di area di gran lunga maggiore, la sua area minima è di
480µm 2 , la sola diffusione di emettitore occupa 12.96µm 2 (tale limitazione è dovuta alle dimensioni dei contatti
metallici).
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Confronto tra BJT e MOSFET
16µm
p+ -bulk (anello di isolamento)
n-epi
p
p+
n+
n+
E
B
C
n+
p+
p
n+
n-epi
p+ -bulk (anello di isolamento)
30µm
Fig. 3.2
Sezione trasversale e vista dall’alto di un BJT
Dissipazione di potenza
Un dispositivo che dissipa una potenza minore (minore consumo) è chiaramente migliore di uno che, a parità di
prestazioni, dissipa di più. Inoltre un circuito che dissipa molta potenza è sottoposto ad uno stress termico maggiore ed è
più facilmente soggetto a difetti di cattivo funzionamento, ha cioè una durata temporale minore.
3.2 Confronto dei parametri
A parità di area ( 480µm 2 ) e di potenza dissipata, si confrontano i valori dei parametri di un MOSFET e di un BJT
con le seguenti caratteristiche:
AE = 3.6 ∗ 3.6 µm 2
V A (tipico) = 100 V
(area di emettitore)
K = 30 µA V 2
(lunghezza del Mosfet)
l = 8.2 µm
W = Atot L = 58µm
(lunghezza del canale)
L = 1µm
λ (tipico) = 0.05 V −1
I C = I d = 50 µA
Transconduttanza
g mBJT = I C VT = 1.9 mA V
g mMOS = 2 K (W L )I D = 0.5 mA V
Il BJT ha una transconduttanza che è circa quattro volte
quella del MOSFET, ciò è dovuto al fatto che nel primo la
dipendenza di g m dalla corrente di polarizzazione è lineare,
mentre nel secondo varia con la radice quadrata.
Resistenza di ingresso
riBJT = 50 kΩ
riMOS = ∞
Un pregio del MOSFET è quello di avere impedenza di
ingresso infinita il che permette di porre in ingresso una
sorgente di tensione con resistenza interna elevatissima.
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Confronto tra BJT e MOSFET
Resistenza di uscita
VA
= 2 MΩ
IC
1
rd =
= 400 KΩ
λI D
rc =
Guadagno intrinseco
AI (Max ) = g m rc = 3.8 ⋅ 10 3
AI (Max ) = g m rd = 236
Nel bipolare la resistenza di uscita è circa quattro volte più
grande di quella del MOSFET, quindi il suo comportamento
da generatore pilotato è migliore.
(BJT)
(MOSFET)
Il guadagno massimo di corrente del BJT è di gran lunga
maggiore di quello del MOSFET.
Frequenza di transizione
Per il BJT:
f T (Max ) =
1
2πτ F
2
dove τ F = WB e Dn = VT ⋅ µ n .
2 Dn
Per il MOSFET
f T (Max ) =
gm
2πC gs
dove C gs = 2 C OX WL , g m = 2k W (VGS − VT ) e k = 1 µ n C OX
3
L
2
quindi:
f T (Max ) =
2µ nVT
2πW B2
f T (Max ) =
3 µ
⋅ (VGS − VT )
2 L2
(BJT)
(MOSFET)
Tipicamente (VGS − VT ) > 50mV e L >> WB (dove W B è lo
spessore della base), quindi dal confronto si ricava
f T ( BJT ) ≈ 10 f T (MOS ) ; sia in applicazioni analogiche che
digitali il BJT è dieci volte più veloce del MOSFET
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