BJT与MOSFET单管放大器浅析(比较)(2).docx

BJT与MOSFET单管放大器浅析任永浩 1301100821王艳 1301100828夏星星 1301100831摘要 我们将介绍金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）以及双极型晶体管（BJT），这两类晶体管都有独特的特征和应用范围。MOSFET毫无疑问是应用最广泛的电子器件，CMOS是集成电路的首选技术，然而，BJT仍然是一个重要的器件，CMOS电路加入BJT后性能会更优越。我们会对这两种类型的电路做一个比较，讨论这两类晶体之间的差别，进一步了解这两类晶体管。关键词 BJT MOSFET 比较中图分类号： 文献标志码：A1 双极性晶体管（BJT）双极性晶体管，全称双极性结型晶体管，俗称三极管，是一种具有三个终端的电子器件。这种晶体管的工作，同时涉及电子和空穴两种载流子的流动，因此它被称为双极性的，所以也称双极性载流子晶体管。这种工作方式与诸如场效应管的单极性晶体管不同，后者的工作方式仅涉及单一种类载流子的漂移作用。两种不同掺杂物聚集区域之间的边界由PN结形成。1.1 器件结构与物理特性图1 npn、pnp晶体管的简化结构如图一所示，BJT有三个半导体区域组成：发射区（n型）、基区（p型）、集电区（n型）。这种晶体管叫做npn晶体管。；另一种晶体管是npn晶体管的对偶，它具有p型发射区、n型基区和p型集电区，称为pnp晶体管。 晶体管由两个pn结组成，即发射结（EBJ）和集电结（CBJ）。根据这两个结的偏置条件（正向和反向），可以得到BJT不同的工作模式，如表1所示。表1 BJT的工作模式模式EBJCBJ截止反偏反偏放大正偏反偏反向放大反偏正偏饱和正偏正偏放大模式也称正向放大模式，当晶体管作为放大器工作时，应用这种模式。开关应用使用截止模式和饱和模式。反向放大模式只有有限的应用范围，但是其概念很重要。1.2 npn型与pnp型双极晶体管原理NPN型双极性晶体管可以视为共用阳极的两个二极管接合在一起。在双极性晶体管的正常工作状态下，发射结（基极与发射极之间的PN结）处于正向偏置状态，而集电结（基极与集电极之间的PN结）则处于反向偏置状态。在没有外加电压时，发射结N区的电子（该区域的多数载流子）浓度大于P区的电子浓度，部分电子将扩散到P区。同理，P区的部分空穴也将扩散到N区。这样，发射结上将形成一个空间电荷区（也称为耗尽层），产生一个内在的电场，其方向由N区指向P区，这个电场将阻碍上述扩散过程的进一步发生，从而达成动态平衡。这时，如果把一个正向电压施加在发射结上，上述载流子扩散运动和耗尽层中内在电场之间的动态平衡将被打破，这样会使热激发电子注入基极区域。在NPN型晶体管里，基区为P型掺杂，这里空穴为多数掺杂物质，而电子则为少数载流子。从发射极被注入到基极区域的电子，一方面与这里的多数载流子空穴发生复合，另一方面，由于基极区域掺杂程度低、物理尺寸薄，并且集电结处于反向偏置状态，大部分电子将通过漂移运动抵达集电极区域，形成集电极电流。如图3所示。图3 放大模式下npn晶体管极电流组成Pnp晶体管的工作方式与上面描述的npn器件的工作方式类似。与npn晶体管不同的是，在pnp器件中的电流主要由在正向偏置电压作用下从发射区注入到基区的空穴传输。图4所示为偏置在放大模式下的pnp晶体管。图4 偏置在放大模式的pnp晶体管的极电流组成BJT具有非常方便且具有描述性的电路符号。图2所示是npn晶体管的符号、pnp晶体管的符号，这两种符号以发射极的箭头作为区分的标志。图2 BJT的电路符号2 MOS场效应晶体管（MOSFET）2.1 器件结构与物理特性金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。金属氧化物半导体场效应管依照其“沟道”极性的不同，可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型，通常被称为N型金氧半场效晶体管（NMOSFET）与P型金氧半场效晶体管（PMOSFET）。图4 MOSFET的结构和电气符号 2.2 MOSFET晶体管原理MOSFET的核心：金属氧化层半导体电容金属氧化层半导体结构MOSFET在结构上以一个金属氧化层半导体的电容为核心（如前所述，今日的MOSFET多半以多晶硅取代金属作为其栅极材料），氧化层的材料多半是二氧化硅，其下是作为基极的硅，而其上则是作为栅极的多晶硅。这样子的结构正好等于一个电容器，氧化层扮演电容器中介电质的角色，而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电常数（dielectric constant）来决定。栅极多晶硅与基极的硅则成为MOS电容的两个端点。当一个电压施加在MOS电容的两端时，半导体的电荷分布也会跟著改变。考虑一个P型的半导体（空穴浓度为NA）形成的MOS电容，当一个正的电压VGB施加在栅极与基极端（如图）时，空穴的浓度会减少，电子的浓度会增加。当VGB够强时，接近栅极端的电子浓度会超过空穴。这个在P型半导体中，电子浓度（带负电荷）超过空穴（带正电荷）浓度的区域，便是所谓的反转层。MOS电容的特性决定了MOSFET的操作特性，但是一个完整的MOSFET结构还需要一个提供多数载流子的源极以及接受这些多数载流子的漏极。3 MOSFET与BJT的基本特性比较3.1 参数典型值的比较表2 CMOS器件参数典型值参数0.18m0.5m0.25m0.18mNMOSPMOSNMOSPMOSNMOSPMOSNMOSPMOStox（nm）1515996644Cox（fF/）2.32.33.83.85.85.88.68.6(c/Vs)550250500180460160450100Cox(A/V)12758190682679338786VtO(V)0.7-0.70.7-0.80.43-0.620.48-0.45VDD(V)553.33.32.52.51.81.8VA(V/m)252020105656COV(fF/m)0.20.20.40.40.30.30.370.33表3 BJT的参数典型值标准高电压工艺先进低电压工艺参数npn横向pnpnpn横向pnpAE(m)50090022Is(A)510-15210-15610-18610-180(A/A)2005010050VA(V)130503530VCEO(V)5060818F0.35ns30ns10ps650psCje01pF0.3pF5fF14fFC00.3pF1pF5fF15fFrx()2003004002003.2 MOSFET与BJT重要特性的比较 3.2.1电流电压特性我们考虑器件尺寸对于其电流的影响，双极型晶体管中的控制参数是EB结面积AE，它直接控制饱和电流Is，其值在一个相对较小的范围内变化。当我们将AE与MOSFET的宽长比W/L作比较时，MOSFET设计时可以在很大范围内调整WBL值。因此W/L是MOS电路的重要设计参数。最重要的是，两种器件的电压电流关系的差别与流入到控制端的输入电流有关。MOSFET的栅极电流实际上为零，从栅极看进去的输入电阻是无穷大。而BJT的基极电流与集电极电流成正比。有限的基极电流导致了从基极看进去的输入电阻是有限的，相对于MOSFET来说，这肯定是BJT的一个缺陷，事实上，就是MOSFET的无穷大的输入电阻使得BJT不能实现的模拟与数字电路应用成为了可能。3.2.2 输入电流和输入电阻：BJT是电流驱动器件，必须要有一定的输入电流才能工作，其输入电阻很小（约为kT/(qIE)）。对共发射极组态的BJT，输入电流IB与电流放大系数有关：放大性能越好，所需要的输入电流就越小。MOSFET的输入电阻几乎为，是一个电容，则它具有的一个重要优点就是0输入电流。这就使得MOSFET在应用中的输入回路比较简单，而且可以使用其输入电容来存储和读出信号电荷。不过，不幸的是对于纳米MOSFET而言，它与双极型晶体管一样，也具有一定的输入电流（栅极电流），这会给许多微电子电路带来严重的危害。因此，如何减小纳米MOSFET的栅极电流是一个应该很好考虑的问题。此外，MOSFET输入电压（VGS）的一致性较差，这就使得在作为运算放大器的输入差动放大级应用时，与BJT相比，将会产生较大的失调电压。3.2.3输出电阻 两种器件的输出电阻可以用相似的公式表示，及Ro是VA与偏置电流的比值。因而，对于这两种器件，Ro都与偏置电流成反比。3.2.4固有增益 BJT的固有增益Ao是VA与VT的比值。其中，参数VA完全由制造工艺决定（35130V），而VT的是物理参数（室温时为0.25V）。因此，BJT的Ao值与原件结面积以及工作电流都无关。而MOSFET的情况则不同。我们注意到；1. 分母Vov/2是一个设计参数。尽管短沟道技术的运用使得这个值越来越小，但是仍然比VT大得多。而且选取较大的Vov值是有原因的。2. 分子VA与制造工艺和器件尺寸都有关系，它的值一直在稳步下降。 因此，现代短沟道技术实现的单级MOS管放大器能达到的固有增益仅为20V/V到40V/V，这几乎比BJT小了两个数量级。3.2.2 输出电压：BJT的输出电压（VCE）较低，不管是作为高速应用、还是作为高增益应用，一般其最小输出电压都约为(kT/q)值的数倍，即仅稍大于0.1V。这是BJT的一个重要优点，即BJT是一种很好的低电压工作的器件。MOSFET的最小输出电压就是其源-漏饱和电压（VDsat=VGS-VT），这时因为输出交流电阻很大，则可获得较高的电压增益。当MOSFET在高增益应用时，为了提高饱和状态的电压增益，就需要选择较小的(VGS-VT)值，则这时的饱和电压VDsat也很小。但是，当MOSFET在高频、高速应用时，为了提高频率和速度，在保证一定的电压增益下，就需要尽可能选择较大的(VGS-VT)值，则这时的饱和源-漏电压也较大，这将严重地限制着器件输出电压的摆幅。总之，作为高增益和高频、高速应用来说，BJT都具有一定的的长处。3.2.3 跨导-电流比：晶体管的跨导-电流比（gm/IC，gm/IDS）是模拟应用中的一个重要参量。随着输出电流的增大，BJT的跨导-电流比在很大的范围内基本上没有变化；而MOSFET的跨导-电流比却一直是下降的。这是由于BJT的跨导很大的缘故。因此，对于具有相同跨导的器件，在高增益应用时，BJT的工作电流将大约是MOSFET的25%。BJT的这种长处对于降低电路功耗具有重要的意义，尤其是在便携式电子设备中可以有效地减小电池的消耗。3.2.4 高频特性MOSFET与BJT简化了的高频等效电路非常相似，确定单位增益频率fT的表达式也十分相似。fT只是晶体管本身固有带宽的度量，而没有考虑负载电容的影响。fT都与器件的重要尺寸值的平方成反比：MOSFET的沟道长度与BJT的基区宽度。同时，也需要重视的是，BJT的fT完全由制造工艺决定，而MOSFET的fT与过驱动电压Vov成正比，因而在Vov的取值要求上产生了矛盾：低频增益的增加需要降低的Vov值，但是更宽的带宽却需要Vov值得增加。所以，选择Vov值是需要做到增益与带宽之间的平衡。 现代低电压工艺制造的npn晶体管的fT值介于10GHz与20GHz之间，而标准的高电压制造过程得到的仅为400600MHz。对于MOS管，现代亚微米技术制造的NMOS管的fT值介于5GHZ与15GHZ之间。3.2.5 速度和噪声：因为在大电流时，多数载流子都将以饱和漂移速度运动，因此，尺寸越小的器件，工作速度就越高。在这一点上，MOSFET因其沟道长度的不断缩短而呈现出优势，现在的纳米MOSFET可以实现超高速应用。而BJT的基区宽度相对来说是不变的。在噪声性能方面，BJT较有优势。因为BJT的跨导很大，所以其热噪声就相对较低；又因为BJT原则上是一种非表面器件，所以它的1/f噪声也较小（等效输入噪声电压约小一个数量级）。BJT具有当信号源内阻较低（约小于10kH）时噪声小的特点，而场效应晶体管在信号源内阻较高（约大于10kH）时具有较小的噪声。因为BJT的转移特性是指数函数式的，则其3次项对于交扰调制的影响较大；而场效应晶体管的转移特性是抛物线函数关系，则不存在3次项的影响，故其交扰调制特性较好。3.2.6 设计方案和器件模型：BJT的关键参数较少，主要是基区宽度和p-n结面积。而MOSFET设计参数较多，共有五个：gm、IDS、(VGS-VT)、W和L。在设计模型方面，BJT和MOSFET有所不同。BJT的电流方程以及所给出的相应模型都是精确而有效的，并且只要一个模型即可模拟整个器件。而MOSFET需要三个模型和多个拟合的晶体管参数才能模拟整个器件；而且这些模型随着工艺技术的进步而在不断地发展变化中（只能在一段时间范围内有效）。总之，仅从器件的性能参量和模型精度上来看，BJT在许多方面都具有一定的优势，特别是在模拟应用领域内具有其独特的长处。此外，在双极型模拟集成电路中，寄生效应也较小，例如外延平面n-p-n晶体管下面的寄生p-n-p晶体管，实质上就不起作用。然而，BJT及其IC的工艺技术水平远不及MOSFET和MOS-IC。因此，集成难度较大，集成度也较低。所以，开发BJT的工艺技术，以适应VLSI发展的需要，这仍然是一个重要的研究课题。当然，现在已经发展出来的Bi-CMOS技术，综合了双极型晶体管的高跨导、强的负载驱动能力和CMOS的高集成度、低功耗的优点，给高速、高集成度、高性能VLSI的发展开辟了一条新的道路。但是，Bi-CMOS技术的加工成本较高。4 BJT与MOSFET管放大电路的比较4.1共集电极放大电路共集电极电路结构如图示4.1.1静态分析得，4.1.2动态分析小信号等效电路电压增益输入回路：输出回路：电压增益： 输入电阻4.2共基极放大电路4.2.1静态工作点 直流通路与射极偏置电路相同4.1.2动态指标电压增益输入回路：输出回路：电压增益： 输入电阻 输出电阻4.3共射极放大电路4.3.1工作原理：1直流工作状态：vi=0VIB=（VBB-VBE）/RbIC=bIBVCE=VCC-ICRCvo=0VVcb1=VBEVcb2=VCE4.3.2交流工作状态：vi=Vimsin(wt)vBE=vi+Vcb1=vi+VBEiB=ib+IBvCE=vce+VCE=VCC-iCRCvo=vCE-Vcb2=vCE-VCE结论：（1）直流为基础，交流为对象。交直共存。 （2）相位关系：vo与vi相位相反。共射极放大电路为反相放大电路。 4.4共源极电路输出电压 又因此小信号电压增益为 输入电阻输出电阻4.5共漏极放大器4.5.1输出电压由KVL，有又其中4,5,2小信号电压增益为 即4.6共栅极放大器图4.6.1 4.6