BJT與MOSFET的特性比較

BJT與MOSFET的特性比較XieM.X.（UESTC,成都市）（1）輸入電流：BJT是電流驅(qū)動器件，必須要有一定的輸入電流才能工作，其輸入電阻很?。s為kT/（qIE））。對共發(fā)射極組態(tài)的BJT，輸入電流IB與電流放大系數(shù)p有關(guān)（放大性能越好，所需要的輸入電流就越?。篒BMOSFET的輸入電阻為8，是一個電容，則它具有的一個重要優(yōu)點就是0輸入電流。這就使得MOSFET在應(yīng)用中的輸入回路比較簡單，而且可以使用其輸入電容來存儲和讀出信號電荷（例如在開關(guān)電容濾波器中，在ADC的前端采樣-保持電路中，這都已經(jīng)被采用了）。為了提高頻率和速度，隨著工藝技術(shù)的改進，MOSFET的溝道長度也越來越短，現(xiàn)在已經(jīng)進入到了納米領(lǐng)域。不過，不幸的是納米MOSFET與雙極型晶體管一樣，也具有一定的輸入電流（柵極電流），這會給許多微電子電路帶來嚴重的危害。因此，如何減小納米MOSFET的柵極電流是一個應(yīng)該很好考慮的問題；否則，與BJT相比，MOSFET的長處就逐漸喪失了。（2）輸出電壓：BJT的輸出電壓（VCE）較低，不管是作為高速應(yīng)用、還是作為高增益應(yīng)用，一般其最小輸出電壓都約為（kT/q）值的數(shù)倍，即僅稍大于0.1V。這是BJT的一個重要優(yōu)點，即BJT是一種很好的低電壓工作的器件。MOSFET的最小輸出電壓就是其源-漏飽和電壓（VDsat=VGS-VT），這時因為輸出交流電阻很大，則可獲得較高的電壓增益。MOSFET在飽和狀態(tài)工作時，其最小輸出電壓要稍小于（vgs—vt），據(jù)此即可設(shè)置器件的電流IDsat（決定于溝道的尺寸）：'=日*］、-匕）2(W/L)圖1BJT和(W/L)圖1BJT和MOSFET的輸出特性nox當MOSFET在高增益應(yīng)用時，為了提高飽和狀態(tài)的電壓增益，由MOS器件工作原理得知，就需要選擇較小的（VGS-VT）值（例如0.15?0.2V），則這時的飽和電壓VDsat也很小。但是，當MOSFET在高頻、高速應(yīng)用時，為了提高頻率和速度，在保證一定的電壓增益下，就需要盡可能選擇較大的（VGS-VT）值（例如0.5V），則這時的飽和源-漏電壓也較大（應(yīng)該大于0.5V），這將嚴重地限制著器件輸出電壓的擺幅。BJT和MOSFET的輸出伏安特性及其飽和電壓，比較地示出在圖1中?？梢?，作為高增益和高頻、高速應(yīng)用來說，BJT都具有一定的的長處。至于輸出特性的飽和程度，分別與不同的因素有關(guān)：BJT主要與Early效應(yīng)有關(guān)；MOSFET則主要與溝道長度調(diào)制效應(yīng)和DIBL效應(yīng)有關(guān)。（3）跨導(dǎo)-電流比：晶體管的跨導(dǎo)-電流比是模擬應(yīng)用中的一個重要參量。對于BJT和MOSFET，它們的跨

導(dǎo)-電流比（gm/IC，gm/IDS）與輸出電流的關(guān)系比較地給出在圖2中?？梢砸姷?，隨著輸出電流的增大，BJT的跨導(dǎo)-電流比在很大的范圍內(nèi)基本上沒有變化；而MOSFET的跨導(dǎo)-電流比卻一直是下降的。當（VGS-VT）=0.15?0.2V時（高增益應(yīng)用時的電壓值），BJT的跨導(dǎo)-電流比約為MOSFET的4倍，這是由于BJT的跨導(dǎo)很大的緣故。%Lb（V-1）2U11100.01 0.1 】 %Lb（V-1）2U11100.01 0.1 】 10luuJ,,（4） 速度和噪聲：圖2BJT和MOSFET的跨導(dǎo)-電流比因為在大電流時，載流子都將以飽和漂移速度運動，因此，尺寸越小的器件，工作速度就越高。在這一點上，圖2BJT和MOSFET的跨導(dǎo)-電流比在噪聲性能方面，BJT較有優(yōu)勢。因為BJT的跨導(dǎo)很大，所以其熱噪聲就相對較低；又因為BJT原則上是一種非表面器件，所以它的1/f噪聲也較?。ǖ刃л斎朐肼曤妷杭s小一個數(shù)量級）。（5） 設(shè)計方案和器件模型：BJT的關(guān)鍵參數(shù)較少，主要是基區(qū)寬度和p-n結(jié)面積。而MOSFET設(shè)計參數(shù)較多，共有五個：gm、IDS、（VGS-VT）、W和L。在設(shè)計器件時，一般是首先確定器件的工作點，即選?。╒GS-VT）:對于高增益器件，取0.15?0.2V；對高速度器件，取0.5V。然后根據(jù)電路要求的指標，確定出gm；并由跨導(dǎo)-電流比得到IDS；進而由（8-2）式求出尺寸W和L。對于高增益器件，溝道長度L需要選取得較長一些（約為最小長度的4?8倍），以避免溝道長度調(diào)制效應(yīng)；對于高速度器件，溝道長度L就選取為最小即可。在設(shè)計模型方面，BJT和MOSFET有所不同。BJT的電流方程以及所給出的相應(yīng)模型都是精確而有效的，并且只要一個模型即可模擬整個器件。而MOSFET需要三個模型和多個擬合的晶體管參數(shù)才能模擬整個器件；而且這些模型隨著工藝技術(shù)的進步而在不斷地發(fā)展變化中（只能在一段時間范圍內(nèi)有效）?？傊?，僅從器件的性能參量和模型精度上來看，BJT在許多方面都具有一定的優(yōu)勢，特別是在模擬應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)具有其獨特的長處。此外，在雙極型模擬集成電路中，寄生效應(yīng)也較小，例如外延平面n-p-n晶體管下面的寄生p-n-p晶體管（見第三章的圖3-1，由p型集電區(qū)、n型外延層和p型襯底之間構(gòu)成的晶體管），實質(zhì)上就不起作用（因為n-p-n晶體管一般是工作于放大狀態(tài)，其集電結(jié)總是處于反偏狀態(tài)）。然而，BJT及其IC的工藝技術(shù)水平遠不及MOSFET和MOS-IC。因此，集成難度較大，集成度也較低。所以，開發(fā)BJT的工藝技術(shù)，以適應(yīng)VLSI發(fā)展的需要，這仍然是一個重要的研究課題。當然，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出來的Bi-CMOS技術(shù)，綜合了雙極型晶體管的高跨導(dǎo)、強的負載驅(qū)動能力和CMOS的高集成度、低功耗的