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). III - 1 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. III - 2 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 III - 3