兩種電晶體,兩種控制旋鈕
兩個元件都是前幾階那個水龍頭:把手只要動一點點,就能控制一大股水流。但它們不同之處在於那個把手是什麼。在 BJT 裡,把手是電流——你把電流灌進基極,一股大得多的集極電流就跟著流出。在場效電晶體、尤其是 MOSFET 裡,把手是電壓——你在閘極上設定一個電壓,另外兩個端點之間的通道就打開。一個是電流控制、一個是電壓控制,而幾乎其他所有差異,都從這一點分歧流淌而出。
第一個後果很戲劇化:閘極幾乎不抽取穩態電流。BJT 要付過路費才能維持導通——只要它在導通,就得一直吸進一股基極電流 Ib = Ic / beta。用一顆 beta 為 50 的電晶體去切換 10 A 的負載,你就必須持續往基極餵 10 / 50 = 0.2 A,只為了把它維持在開的狀態。MOSFET 不收這份貢品:一旦閘極坐在比方說 10 V,通道就保持打開,而閘極吸進的直流電流基本上是零。對穩態訊號而言,這個控制端幾乎是免費的。
名稱對應得很整齊。MOSFET 的閘極扮演 BJT 的基極、源極扮演射極、汲極扮演集極。控制變數是閘對源電壓 Vgs:把它推過臨界電壓 Vth,通道就導通,很像把 Vbe 推過約 0.7 V 會喚醒一顆 BJT。差別在於:BJT 的輸入看起來像一顆會導通的順向偏壓二極體,而 MOSFET 的輸入看起來像一片絕緣的小金屬板,不導通。
誠實的但書:閘極是一個電容
「閘極不抽取電流」是關於直流的真相,不是關於變化的真相。那片坐在通道之上的絕緣閘極板,正好是一個電容的配方——兩塊導體中間夾一層薄薄的絕緣體——所以閘極是一個會充電的小水桶。在一個滿桶上維持穩定電壓不花什麼成本,但每次你想改變那個電壓,就得把電荷鏟進去、或抽回來。要把元件完全打開所必須搬動的總電荷,就是它的閘極電荷 Qg。
給它一個數字。一顆 Qg = 30 nC 的功率 MOSFET,若你想在 100 ns 內把它打開,就需要平均閘極電流 I = Q / t = 30 nC / 100 ns = 0.3 A,在那個切換瞬間。所以「沒有閘極電流」與「切換時要三分之一安培」兩句話都對——一句講穩態,一句講暫態。這正是為什麼真正的設計會把閘極交給一個閘極驅動器:一個粗壯的小緩衝器,唯一的任務就是快速把電荷砸進砸出。切換得太慢,元件就停留在半開狀態,燒掉切換損耗——那是本階後面一篇指南的主題。
當開關:一個電阻對上一筆固定過路費
完全導通時,這兩個元件壓降的方式截然不同,而這決定了誰能勝任開關。一顆飽和的 BJT 開關停在一個大致固定的集極—射極電壓 Vce(sat),約 0.2 V——像一個收費站,不論通過的是涓滴還是洪流,收的過路費都一樣。而一顆完全導通的 MOSFET,行為則像一顆單純的電阻,也就是它的導通電阻 Rds(on),所以它的壓降是 Rds(on) times I,純粹隨電流等比例變化。
看看這在比方說 5 A 時意味著什麼。一顆現代 MOSFET,Rds(on) = 10 mohm,只壓降 5 times 0.01 = 0.05 V,浪費 P = I^2 times R = 5^2 times 0.01 = 0.25 W。而卡在 0.2 V 過路費的 BJT,浪費 P = V times I = 0.2 times 5 = 1.0 W——同樣的工作,發熱是四倍。在低電流與中等電流下,MOSFET 是比較涼、比較有效率的開關,這正是為什麼今天的功率切換絕大多數是 MOSFET 的天下。
不過,要誠實面對那個交越點。因為 MOSFET 的損耗隨 I^2 times R 增長,而 BJT 的損耗只隨「固定電壓 times I」增長,所以在電流夠大時,一顆高 Rds(on) 的 MOSFET 實際上可能比 BJT 散掉更多功率——去規格書讀真正的 Rds(on)(它會隨溫度上升),別只信標題數字。同樣這種「低對高」的選擇也出現在高側與低側切換裡:一顆 N 通道元件可以輕鬆切換負載的接地腳(低側),但要切換電源腳(高側),它的閘極必須被驅動到高於正電源軌——這個小麻煩,後面一篇指南會用電荷泵或自舉電路來處理。
Property BJT (bipolar) MOSFET (field-effect) ---------------------------------------------------------------------- Controlled by base CURRENT Ib gate VOLTAGE Vgs Control terminal draws Ib = Ic/beta draws ~0 DC (a capacitor) On-state voltage fixed Vce(sat) ~0.2 V Rds(on) x I (a resistor) gm at same current high (Ic / 25mV) lower (square-law) Gets hotter -> more current (runaway) Rds(on) rises -> self-limits Putting in parallel hard (one hogs current) easy (they share) Hold it ON needs continuous Ib just a held voltage
當放大器:誰每毫安培的增益比較高?
對小訊號而言,要緊的是跨導 gm——每一伏特的輸入擺動能換到多少輸出電流——因為它乘上一顆負載電阻,就是你的電壓增益。在這裡 BJT 有個安靜的優勢。BJT 的集極電流隨 Vbe 指數型上升,給出你在 BJT 階段見過的、強勁的 gm = Ic / VT。而 MOSFET 的汲極電流只隨閘極過驅動電壓(Vgs 減 Vth)的平方上升,是條比較溫和的曲線,所以在相同工作電流下,它的 gm 通常小上好幾倍。
在 1 mA 處給它數字。BJT 給出 gm = 1 mA / 25 mV = 40 mA/V;一顆典型的小訊號 MOSFET 在同樣 1 mA 下也許只能擠出幾 mA/V。所以 BJT 從每一毫安培裡榨出的增益較多,這是為什麼精密、低失調、低雜訊的類比前端那麼常維持雙極性的原因之一。而 MOSFET 發揮價值的場合,是當你搭一個共源極放大器或一個源極隨耦器(下一篇),並需要一個近乎無限大、完全不對訊號源造成負擔的輸入時。
那個近乎無限大的輸入,是 MOSFET 在類比上的殺手級特色。因為閘極是絕緣的,輸入電阻高到天文數字,輸入基本上不抽取偏壓電流——非常適合讀取高阻抗的感測器、壓電元件,或在電容上保持一個電壓而不讓它漏掉。不過有個命名陷阱要記住:在 BJT 裡「飽和」指的是當開關時的完全導通,而在 MOSFET 裡,飽和區恰恰相反——它是元件進行放大的那個主動、平坦的區域。同一個詞,意思相反。
發熱、並聯,以及最後的裁決
現在來看決定高功率與耐用設計的那個差異:各自升溫時的行為。一顆被固定基極驅動著的 BJT 很危險——它一變熱,Vbe 就下降,於是放過更多電流,於是更熱,這個惡性循環叫熱跑脫,可能把零件煮壞。MOSFET 則做友善的相反之事:它的 Rds(on) 隨溫度上升,所以較熱的點承載較少電流、安靜地自我降溫。這個元件天生內建了一道對抗失控的負回授。
光這一個特性,就讓 MOSFET 很容易並聯成群:把好幾顆並聯起來,若有一顆開始搶電流、它就會發熱、電阻爬升,然後禮貌地把電流交還給比較涼的兄弟們,直到大家平均分擔。BJT 則做危險的相反——最熱的那顆會搶到越來越多電流——所以並聯它們需要平衡電阻與小心。把自我平衡、近乎免費的電壓驅動、與低導通電阻加在一起,你就明白為什麼 MOSFET 主宰了功率切換,又能以 N 配 P 搭出每一顆數位晶片核心的 CMOS 反相器(本階的最後一篇)。
所以,最後的裁決——而這真的是一種取捨,沒有絕對贏家。當你要切換功率、搭數位邏輯、從一個微弱的電壓源驅動、或需要極高的輸入阻抗時,去拿 MOSFET;它的自我平衡與低導通電阻很難被打敗。當你想要每毫安培最大的跨導、在精密或音訊前端要最低的失調與雜訊、要簡單低成本的小訊號增益、或某些射頻工作時,去拿 BJT。大多數日常任務兩者都能勝任;上面那張表,加上那些誠實的但書,就是你選擇的依據。