CMOS vs. Bipolar

CMOS-Technologie und der Bipolartransistor stehen für zwei grundverschiedene Wege, elektrische Signale zu steuern und zu verstärken. Während der Bipolartransistor über Jahrzehnte die Digitaltechnik dominierte (TTL-Logik), hat ihn der Feldeffekttransistor in Form der CMOS-Technologie seit den 1980er-Jahren nahezu vollständig verdrängt – nicht weil er grundsätzlich „besser" ist, sondern weil seine Eigenschaften besser zur Massenintegration passen. In Analog-, Hochfrequenz- und Leistungsanwendungen bleibt der Bipolartransistor dagegen bis heute relevant.

Der eigentliche Grund für diesen Technologiewechsel liegt weniger in einzelnen Bauelementeeigenschaften als in der Systemebene: Digitale Schaltungen bestehen aus Millionen bis Milliarden einzelner Transistoren, und dort entscheidet vor allem die Verlustleistung pro Schaltvorgang sowie die erreichbare Packungsdichte über die Praxistauglichkeit einer Technologie. CMOS bietet hier, wie die folgenden Absätze zeigen, entscheidende Vorteile bei nahezu verlustfreiem Ruhezustand und einfacherer Skalierbarkeit. Bipolartransistoren wiederum spielen ihre Stärken dort aus, wo es auf hohe Stromtreiberfähigkeit, geringes Rauschen oder hohe Grenzfrequenzen ankommt – Eigenschaften, die in der Digitaltechnik zweitrangig sind, in Analog- und HF-Schaltungen aber weiterhin den Ausschlag geben. Die folgenden Absätze vergleichen beide Bauelementefamilien im Detail: zunächst das grundlegende Funktionsprinzip, dann Verlustleistung und Schaltverhalten, schließlich Integrationsdichte und Skalierbarkeit.

Der MOSFET ist ein unipolares Bauelement: Eine Spannung am Gate erzeugt über ein elektrisches Feld einen leitfähigen Kanal zwischen Source und Drain. Da das Gate durch eine Oxidschicht vom Kanal isoliert ist, fließt im stationären Zustand praktisch kein Steuerstrom – der MOSFET wird spannungsgesteuert.

Der Bipolartransistor arbeitet dagegen mit zwei Ladungsträgertypen gleichzeitig (daher „bipolar"). Ein Basisstrom steuert über Ladungsträgerinjektion und -diffusion einen deutlich größeren Kollektorstrom. Er ist damit stromgesteuert und benötigt im Betrieb kontinuierlich einen Steuerstrom.

Dieser Unterschied zwischen Feldsteuerung und Ladungsträgersteuerung zieht sich durch praktisch alle weiteren elektrischen Eigenschaften beider Bauelementefamilien. Beim MOSFET bestimmt im Wesentlichen die Gate-Kapazität, wie schnell sich der Kanal auf- und abbauen lässt – ein rein elektrostatischer Vorgang, der keine Minoritätsträgerinjektion erfordert. Beim Bipolartransistor dagegen müssen bei jedem Schaltvorgang tatsächlich Ladungsträger in die Basiszone injiziert und beim Ausschalten wieder ausgeräumt werden, was zusätzliche Zeit kostet und als Speicherzeiteffekt bekannt ist. Aus dieser unterschiedlichen physikalischen Grundlage leiten sich auch die im nächsten Absatz behandelten Unterschiede bei Verlustleistung und Schaltverhalten unmittelbar ab.