BJT与MOSFET的特性比较

BJT与MOSFET的特性比较XieM.X.（UESTC,成都市）（1）输入电流：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p有关（放大性能越好，所需要的输入电流就越小）：IBMOSFET的输入电阻为8，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（例如在开关电容滤波器中，在ADC的前端采样-保持电路中，这都已经被采用了）。为了提高频率和速度，随着工艺技术的改进，MOSFET的沟道长度也越来越短，现在已经进入到了纳米领域。不过，不幸的是纳米MOSFET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；否则，与BJT相比，MOSFET的长处就逐渐丧失了。（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。MOSFET在饱和状态工作时，其最小输出电压要稍小于（vgs—vt），据此即可设置器件的电流IDsat（决定于沟道的尺寸）：'=日*］、-匕）2(W/L)图1BJT和(W/L)图1BJT和MOSFET的输出特性nox当MOSFET在高增益应用时，为了提高饱和状态的电压增益，由MOS器件工作原理得知，就需要选择较小的（VGS-VT）值（例如0.15〜0.2V），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（例如0.5V），则这时的饱和源-漏电压也较大（应该大于0.5V），这将严重地限制着器件输出电压的摆幅。BJT和MOSFET的输出伏安特性及其饱和电压，比较地示出在图1中。可见，作为高增益和高频、高速应用来说，BJT都具有一定的的长处。至于输出特性的饱和程度，分别与不同的因素有关：BJT主要与Early效应有关；MOSFET则主要与沟道长度调制效应和DIBL效应有关。（3）跨导-电流比：晶体管的跨导-电流比是模拟应用中的一个重要参量。对于BJT和MOSFET，它们的跨

导-电流比（gm/IC，gm/IDS）与输出电流的关系比较地给出在图2中。可以见到，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。当（VGS-VT）=0.15〜0.2V时（高增益应用时的电压值），BJT的跨导-电流比约为MOSFET的4倍，这是由于BJT的跨导很大的缘故。%Lb（V-1）2U11100.01 0.1 】 %Lb（V-1）2U11100.01 0.1 】 10luuJ,,（4） 速度和噪声：图2BJT和MOSFET的跨导-电流比因为在大电流时，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，图2BJT和MOSFET的跨导-电流比在噪声性能方面，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）。（5） 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。在设计器件时，一般是首先确定器件的工作点，即选取（VGS-VT）:对于高增益器件，取0.15〜0.2V；对高速度器件，取0.5V。然后根据电路要求的指标，确定出gm；并由跨导-电流比得到IDS；进而由（8-2）式求出尺寸W和L。对于高增益器件，沟道长度L需要选取得较长一些（约为最小长度的4〜8倍），以避免沟道长度调制效应；对于高速度器件，沟道长度L就选取为最小即可。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（见第三章的图3-1，由p型集电区、n型外延层和p型衬底之间构成的晶体管），实质上就不起作用（因为n-p-n晶体管一般是工作于放大状态，其集电结总是处于反偏状态）。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