Il transistor ad effetto di campo

Il transistor ad effetto di campo

Il transistor ad effetto di campo è un dispositivo a semiconduttore unipolare a tre terminali che ha caratteristiche molto simili a quelle dei loro omologhi transistor bipolariAd esempio, alta efficienza, funzionamento istantaneo, robusto ed economico e può essere utilizzato nella maggior parte delle applicazioni di circuiti elettronici per sostituire i loro cugini BJT.

I transistor ad effetto di campo possono essere resi molto più piccoli di un transistor BJT equivalente e, insieme al loro basso consumo energetico e alla minima dissipazione di potenza, li rendono ideali per l’uso in circuiti integrati come la gamma CMOS di chip logici digitali.

Sappiamo che ci sono due tipi di transistor bipolari, NPN e PNP, essi fondamentalmente descrivono la disposizione fisica dei drogaggi di tipo P o N che li caratterizzano. Ciò vale anche FET ci sono due classificazioni di base per i Field Effect Transistor, chiamate FET a canale N e FET a canale P.

Il transistor ad effetto di campo è un dispositivo a tre terminali costruito senza giunzioni PN all’interno del percorso della corrente principale tra i terminali Drain e Source. Questi terminali corrispondono rispettivamente al collettore e all’emettitore del transistor bipolare. Il percorso della corrente tra questi due terminali è chiamato “canale” che può essere costituito da un materiale semiconduttore di tipo P o di tipo N.

Il controllo della corrente che scorre in questo canale si ottiene variando la tensione applicata al Gate. Come suggerisce il loro nome, i transistor bipolari sono dispositivi “bipolari” perché operano con entrambi i tipi di portatori di carica, lacune ed elettroni. Il transistor ad effetto di campo, d’altra parte, è un dispositivo “unipolare” che dipende solo dalla conduzione di elettroni (canale N) o lacune (canale P).

Il FET ha un vantaggio rispetto ai suoi cugini BJT standard, in quanto la impedenza di ingresso (Rin) è molto alta (migliaia di Ohm ed oltre), mentre il BJT è relativamente basso. Questa elevata impedenza di ingresso li rende molto sensibili ai segnali di tensione in ingresso, ma il prezzo di questa elevata sensibilità significa anche che possono essere facilmente danneggiati dall’elettricità statica.

Esistono due famiglie di transistor ad effetto di campo, il transistor ad effetto di campo a giunzione o JFET e il transistore ad effetto di campo a gate isolato o IGFET, più comunemente noto come transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido metallico o MOSFET.

Il transistor a effetto di campo a giunzione

Sappiamo che un BJT è costruito utilizzando due giunzioni PN nel percorso della corrente principale tra i terminali dell’emettitore e del collettore. Il transistor a effetto di campo di giunzione (JUGFET o JFET) non ha giunzioni PN ma ha invece un pezzo stretto di materiale semiconduttore ad alta resistività che forma un “canale” di tipo N o di tipo P per far scorrere i vettori maggioritari con due Le connessioni alle due estremità si chiamavano rispettivamente Drain e Source.

I JFET a canale N hanno una conduttività di canale maggiore (resistenza inferiore) rispetto ai loro tipi di canali P equivalenti, poiché gli elettroni hanno una maggiore mobilità attraverso un conduttore rispetto alle lacune. Ciò rende il JFET a canale N un conduttore più efficiente rispetto alle controparti a canale P.

All’interno di questo canale c’è una terza connessione elettrica che viene chiamata terminale di gate esso forma una giunzione PN con il canale principale.

Confronto di connessioni tra un JFET e un BJT

struttura di base per entrambe le configurazioni di JFET.

Il “canale” a semiconduttore del transistor ad effetto di campo a giunzione è un percorso resistivo attraverso il quale una tensione VDS fa fluire una corrente ID e pertanto il JFET può condurre la corrente altrettanto bene in entrambe le direzioni. Poiché il canale è di natura resistiva, un gradiente di tensione è quindi formato lungo la lunghezza del canale con questa tensione che diventa meno positiva mentre andiamo dal terminale di DRAIN al terminale di SOURCE.

Il risultato è che la giunzione PN ha quindi un’alta polarizzazione inversa sul terminale D e una polarizzazione inversa più bassa sul terminale S. Questa distorsione provoca la formazione di uno “strato di svuotamento” all’interno del canale e la cui larghezza aumenta con il bias.

L’entità della corrente che fluisce attraverso il canale tra i terminali Drain e Source è controllata da una tensione applicata al terminale Gate, che è polarizzato inversamente. In un JFET a canale N questa tensione di gate è negativa mentre per un JFET a canale P la tensione di Gate è positiva.

La differenza principale tra JFET e un dispositivo BJT è che quando la giunzione JFET è polarizzata inversamente, la corrente Gate è praticamente zero, mentre la corrente Base del BJT è sempre un valore maggiore di zero.

Biasing di un JFET a canale N

Lo schema in sezione trasversale sopra mostra un canale semiconduttore di tipo N con una regione di tipo P chiamata il Gate diffuso nel canale di tipo N che forma una giunzione PN polarizzata inversamente ed è questa giunzione che forma la regione di svuotamento attorno all’area del Gate quando non vengono applicate tensioni esterne. I JFET sono quindi noti come dispositivi in modalità esaurimento.

Questa regione di svuotamento produce un gradiente che è di spessore variabile attorno alla giunzione PN e limita il flusso di corrente attraverso il canale riducendo la sua larghezza effettiva e aumentando così la resistenza complessiva del canale stesso.

Quindi possiamo vedere che la parte più impoverita della regione di svuotamento si trova tra il Gate e il Drain, mentre l’area meno svuotata è tra il Gate e la Source. Quindi il canale del JFET conduce con tensione di polarizzazione zero applicata (cioè, la regione di svuotamento ha una larghezza prossima allo zero).

Senza tensione esterna del gate (VG= 0) e una piccola tensione (VDS) applicata tra G ed S, la corrente massima di saturazione (IDSS) fluirà attraverso il canale limitato solo dal piccola regione di svuotamento attorno alle giunzioni.

Se una piccola tensione negativa (-VGS) viene ora applicata al gate, la dimensione della regione di svuotamento inizia ad aumentare riducendo l’area effettiva complessiva del canale e quindi riducendo la corrente che scorre . Quindi, applicando una tensione di polarizzazione inversa aumenta la larghezza della regione di svuotamento che a sua volta riduce la conduzione del canale.

Poiché la giunzione PN è polarizzata inversamente, poca corrente fluirà nella connessione gate.Dato che la tensione di gate (-VGS) è resa più negativa, la larghezza del canale diminuisce fino a quando non fluisce più corrente tra Drain e Source e il FET viene detto “pinch-off” (simile al cut-off regione per un BJT). La tensione alla quale il canale si chiude è chiamata “tensione di spegnimento” (VP).

JFET Channel pinch off

In questa regione pinch-off la tensione Gate VGS controlla la corrente del canale e VDS ha un effetto scarso o nullo.

Il risultato è che il FET agisce più come un resistore controllato in tensione che ha resistenza zero quando VGS= 0 e resistenza massima “ON” (RDS) quando la tensione del gate è molto negativa. In condizioni operative normali, il gate JFET è sempre negativamente orientato rispetto alla sorgente. È essenziale che la tensione del gate non sia mai positiva poiché se accade tutta la corrente del canale fluirà verso il gate danneggiando il JFET.

Il transistor ad effetto di campo a giunzione a canale P funziona esattamente come il canale N sopra, con polarizzazione invertita.

Le caratteristiche di uscita di un JFET a canale N:

Poiché un JFET è un dispositivo a tensione controllata, “la corrente non scorre nel gate!”.

L’esempio delle curve caratteristiche mostrato sopra mostra le quattro diverse regioni di funzionamento per un JFET e queste sono date come:

  • Regione Ohmica – Quando VGS= 0 lo strato di esaurimento del canale è molto piccolo e il JFET agisce come un resistore controllato in tensione.

  • Regione di interruzione – il JFET agisce come un circuito aperto poiché la resistenza del canale è al massimo.

  • Saturazione o regione attiva- Il JFET diventa un buon conduttore ed è controllato dalla tensione VGS mentre la tensione VDS ha un effetto scarso o nullo.

  • Breakdown Region – La VDS è sufficientemente alta da causare l’interruzione del canale resistivo del JFET e il superamento della corrente massima incontrollata.

Le curve caratteristiche per un transistor ad effetto di campo a giunzione a canale P sono le stesse di quelle precedenti, eccetto che le tensioni hanno segno opposto.

la resistenza del canale è data come:

Resistenza del canale di drain-source.

Dove: gm è il “guadagno di transconduttanza” poiché il JFET è un dispositivo controllato in tensione e che rappresenta il tasso di variazione della corrente di Drain rispetto al cambiamento nella tensione Gate-Source.

Modalità di FET

Come il transistor a giunzione bipolare, il transistor ad effetto di campo essendo un dispositivo a tre terminali è in grado di tre distinti modi operativi e può quindi essere collegato all’interno di un circuito in una delle seguenti configurazioni.

Configurazione Common Source (CS)

Nella configurazione Common Source (simile all’emettitore comune), l’input viene applicato al Gate e il suo output viene preso sul Drain come mostrato. Questa è la modalità di funzionamento più comune del FET a causa della sua elevata impedenza di ingresso e della buona amplificazione di tensione e in quanto tali amplificatori Common Source sono ampiamente utilizzati.

Tale modalità viene generalmente utilizzata amplificatori di frequenza audio e in pre-amplificatori e stadi ad alta impedenza di ingresso. Essendo un circuito amplificatore, il segnale di uscita è “sfasato” con l’ingresso.

Configurazione Common Gate (CG)

Nella configurazione Common Gate (simile alla base comune), l’input è applicato in S e il suo output è preso in D con il Gate collegato direttamente a terra (0v) come mostrato. L’elevata impedenza di ingresso della connessione precedente viene persa in questa configurazione poiché la porta comune ha un’impedenza di ingresso bassa, ma un’impedenza di uscita elevata.

Questo tipo di configurazione FET viene utilizzato in circuiti ad alta frequenza o in circuiti di adattamento di impedenza se un’impedenza di ingresso bassa deve essere adattata a un’impedenza di uscita elevata. L’uscita è “in-fase” con l’input.

Configurazione Common Drain (CD)

Nella configurazione Common Drain (simile al collectore comune), l’input è applicato al Gate e il suo output è preso da S. La configurazione di drain comune o “source follower” ha un’impedenza di ingresso elevata e un’impedenza di uscita bassa e un guadagno di tensione quasi unitario, quindi viene utilizzato negli amplificatori buffer. Il guadagno di tensione della configurazione del follower di origine è inferiore all’unità e il segnale di uscita è “in-fase” con il segnale di ingresso. L’uscita è in fase con l’input.

L’amplificatore JFET

Proprio come il transistor a giunzione bipolare, il JFET può essere utilizzato per realizzare circuiti amplificatori di classe A a stadio singolo con l’amplificatore a sorgente comune JFET e le caratteristiche sono molto simili al circuito di emettitore comune BJT. Il vantaggio principale che gli amplificatori JFET hanno sugli amplificatori BJT è la loro elevata impedenza di ingresso che è controllata dalla rete resistiva di polarizzazione di gate formata da R1 e R2 come mostrato.

amplificatore JFET

Questo circuito amplificatore a sorgente comune (CS) è polarizzato in modo da lavorare in classe “A” dalla rete divisore di tensione formata dai resistori R1 e R2. La tensione attraverso il resistore RS è generalmente impostata su circa un quarto diVDD, (VDD/ 4) ma può assumere qualsiasi valore arbitrario.

La tensione di gate richiesta può quindi essere calcolata partendo da questo valore di RS. Poiché la corrente di gate è zero, (IG= 0), è possibile impostare la tensione di riposo CC necessaria mediante la corretta scelta dei resistori R1 e R2 .

Con questo per il momento mi congedo per non allungare troppo l’articolo, quanto prima parlerò diffusamente dei FET a gate isolato completando in tal modo questo argomento.

Saluti Amilcare

 

VOTO
2 commenti
  1. theremino dice:

    Trovo molto utili questi articoli (anche quelli sugli alimentatori), utili anche per chi già conosce l’argomento.
    Le immagini del canale mi hanno fatto pensare in un modo diverso ai FET.
    E ho capito alcune cose che ancora non mi erano ben chiare.

    Non riesco però a votare l’articolo, come si fa?

    Approvazioni

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