Appunti di Elettronica ed Elettrotecnica - classe quinta

====== FET ======

Vedi la [[https://leonardocanducci.org/wiki/ee4/fet|pagina]] sui FET degli appunti di quarta.

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====== FET ======

Questi argomenti sono trattati nella sezione 21A del fascicolo extra per l'articolazione Elettronica di quarta.

===== I transistor ad effetto di campo =====

I transistor ad effetto di campo (//field effect transistor//) sono chiamati così perché sono comandati in tensione (invece che in corrente come i BJT). Sviluppati successivamente ai BJT erano inizialmente componenti meno veloci e affidabili; oggi sono usati moltissimo:
  * negli integrati digitali, dove l'impiego dei MOSFET permette di ottenere soluzioni economiche ad elevata integrazione e basso consumo
  * negli stadi di ingresso degli operazionali, dove i JFET permettono di ottenere una resistenza di ingresso molto elevata
  * in forma discreta nell'elettronica di potenza, sia come amplificatori che come dispositivi ON-OFF, per il basso consumo

Le due famiglie principali di transistor FET sono:
  * i JFET (//junction FET//) a giunzione
  * i MOSFET o MOS (//metallic-oxide-semiconductor FET//) a metallo-ossido-semiconduttore, che possono essere di tipo //enhancement// e //depletion//

Come avviene per i BJT anche i FET sono disponibili in due varianti con portatori di carica di tipo diverso: quelli a canale N e quelli a canale P. Di seguito, per semplicità, faremo sempre riferimento ai FET a canale N.

I tre terminali dei transistor ad effetto di campo sono chiamati: **source**, **drain** e **gate**. Nei FET la corrente scorre in un //canale// fra i terminali di source e drain e il suo flusso è controllato dalla tensione applicata al terminale di gate.

La //figura 13// mostra i simboli dei FET, dei MOS enhancement e dei MOS depletion nelle due varianti a canale //n// e //p//. In tutti i casi vale sempre:

`I_D=I_S`

===== I JFET =====

I JFET sono meno usati rispetto ai MOSFET, con cui si realizzano la gran parte dei dispositivi digitali, ma hanno delle caratteristiche che li rendono adatti per le applicazioni analogiche.

==== Struttura e funzionamento ====

La figura seuente mostra la struttura di un JFET a canale n((si tratta di una illustrazione a fini didattici, la struttura effettiva si ottiene diffondendo più strati con diverso drogaggio su una sola faccia)).

{{:jfet.png|JFET a canale n}}

Il transistor è composto da:
  * una barra di semiconduttore di tipo //n// ai cui estremi sono posti gli elettrodi di source e drain
  * due zone di tipo //p// collegate al gate

Fra gate è source è dunque presente una giunzione //pn// che, nel normale funzionamento del JFET, deve essere polarizzata inversamente (V<sub>GS</sub> ≤ 0).

Per comprendere il funzionamento del JFET supponiamo inizialmente che V<sub>GS</sub> sia zero. Se applichiamo una tensione V<sub>DS</sub> tra drain e source circolerà una corrente I<sub>D</sub> nel canale. Aumentando la V<sub>DS</sub> la corrente I<sub>D</sub> aumenta e il comportamento del JFET è resistivo. Tuttavia si verifica un altro fenomeno: nel canale si forma una zona di svuotamento (grigia in figura) dovuta alla polarizzazione inversa della giunzione, più pronunciata dal lato del drain e con un estensione crescente al crescere di V<sub>DS</sub>. La zona di svuotamento restringe il canale attraverso cui circola la I<sub>D</sub> e oltre una certa soglia di V<sub>DS</sub> si verifica lo **strozzamento** del canale (//pinch-off//) che impedisce alla corrente di aumentare; il JFET è in saturazione. Quando è presente una V<sub>GS</sub> (negativa) la zona di svuotamento si forma anche con V<sub>DS</sub> = 0 con la conseguenza che il JFET offre maggiore resistenza ed entra in saturazione prima.

==== Caratteristiche ====

Osservando la caratteristica di uscita di //figura 14b//, che mostra la relazione tra la corrente I<sub>D</sub> e la tensione V<sub>DS</sub> per diversi valori di V<sub>GS</sub>, osserviamo che:
  * è presente un'intera famiglia di caratteristiche dipendenti dal valore di V<sub>GS</sub>
  * la saturazione del JFET, indicata dalla linea tratteggiata, avviene per valori via via minori di V<sub>DS</sub> all'aumentare (in modulo) di V<sub>GS</sub>
  * a sinistra del tratteggio è presente una **zona resistiva** dove il JFET si comporta da resistenza variabile il cui valore dipende dalla tensione V<sub>GS</sub> (//figura 14c//)
  * a destra di V<sub>P</sub> si trova la **zona di saturazione** dove il valore di I<sub>D</sub> dipende da V<sub>GS</sub> e non da V<sub>DS</sub> (NB nei BJT la saturazione è tutt'altra cosa!)
  * per valori sufficientemente elevati di V<sub>GS</sub> lo strozzamento avviene già a V<sub>DS</sub> = 0 e non può circolare corrente; il JFET è **interdetto**

La relazione che permette di calcolare il valore della V<sub>DS</sub> alla quale avviene lo strozzamento è:

`V_(DS_(P))=V_P - V_(GS)`

Dove V<sub>P</sub> è la tensione di pinch-off quando V<sub>GS</sub> vale zero riportata nei data sheet.

A questo punto è possibile osservare la caratteristica di trasferimento di //figura 14a// e osservare che:
  * il JFET è interdetto se V<sub>GS</sub> è uguale a V<sub>GS(off)</sub> = V<sub>P</sub>((per la formula vista sopra quando queste due tensioni coincidono lo strozzamento avviene in corrispondenza dell'origine e non può circolare corrente))
  * il massimo valore di corrente in condizione di saturazione si ha quando V<sub>GS</sub> vale zero ed è indicato con I<sub>DSS</sub> nelle due caratteristiche
  * in corrispondenza di V<sub>GS</sub> = 0 e I<sub>DSS</sub> si ha la piena conduzione; in queste condizioni, se si opera nella zona resistiva, l'inverso della pendenza della caratteristica di uscita (//figura 14b//) perché il suo inverso rappresenta la resistenza r<sub>DS(on)</sub> esibita dal JFET nello stato ON quando è usato in commutazione in zona resistiva

==== Funzionamento in commutazione ====

Nell'impiego da amplificatori i JFET lavorano nella zona di saturazione, dove il comportamento è lineare; in quello in commutazione invece si lavora nella zona resistiva e in interdizione. In particolare:
  * per garantire l'interdizione V<sub>GS</sub> deve essere (in modulo) maggiore di V<sub>GS(off)</sub>
  * per avere la piena conduzione si pone V<sub>GS</sub> uguale a zero
Imponendo una retta di carico come mostrato in figura, cioè con una tensione V<sub>DD</sub> e una resistenza R<sub>D</sub> collegate al drain, il JFET lavorerà nei due punti dove la retta di carico incontra la caratteristica 
valida per il funzionamento in interdizione e la caratteristica valida per V<sub>GS</sub> uguale a zero nella zona resistiva.

{{:jfetonoff.png|circuito per il funzionamento in commutazione del JFET}}

==== Funzionamento da amplificatore ====

I JFET possono essere impiegati come amplificatori. In questo caso, come per i BJT, occorre polarizzare correttamente il transistor, quindi applicare un segnale e studiare la risposta dell'amplificatore con un circuito equivalente ai piccoli segnali. Il circuito di polarizzazione più semplice è quello di //figura 15a// dove:
  * la resistenza R<sub>S</sub> tra source è massa è percorsa dalla corrente I<sub>D</sub>
  * la resistenza R<sub>G</sub> collega a massa il gate ma non è percorsa da corrente
  * la tensione V<sub>GS</sub> coincide in modulo con la caduta su R<sub>S</sub>
Studiando il circuito e conoscendo la relazione tra I<sub>D</sub> e resistenza V<sub>GS</sub> è possibile imporre il punto di funzionamento a riposo.

Il circuito equivalente ai piccoli segnali del JFET è rappresentato in //figura 19// (si tratta di un circuito in centro banda a source comune simile a quello a emettitore comune dei BJT). Osserviamo che:
  * il gate è isolato
  * il parametro principale è la transconduttanza //g<sub>m</sub>//
  * il parametro //r<sub>d</sub>// è una resistenza differenziale che, in prima approssimazione, può essere considerata infinita (generatore di corrente ideale)

La configurazione completa di un amplificatore a source comune è quella di //figura 20a//. Riconosciamo il circuito di polarizzazione, la sorgente e il carico collegati tramite condensatori di bypass. Come per i BJT è possibile ricavare i parametri dell'amplificatore (guadagno, resistenze di ingresso e uscita) dal circuito equivalente ai piccoli segnali di //figura 21//.

===== I MOSFET =====

I MOS sono i transistor più utilizzati nell'elettronica digitale perché permettono di realizzare integrati economici e a basso consumo. Sono impiegati anche nell'elettronica di potenza.

Per semplicità ci soffermeremo solo sui MOS ad arricchimento (//enhancement//), più semplici da capire e utilizzati nella tecnologia CMOS con cui si realizzano gli integrati digitali.

==== Struttura e funzionamento ====

La figura seguente mostra la struttura di un MOSFET //enhancement// a canale //n//, più brevemente chiamato NMOS((il PMOS è l'equivalente a canale //p//)).

{{:mosfet.png|MOSFET enhancement a canale n}}

Il transistor è composto da:
  * un substrato di tipo //p// collegato al source
  * due zone di tipo //n// collegate ai terminali di source e drain
  * uno strato di ossido di silicio (grigio scuro nel disegno) che isola il gate

In questo tipo di FET il gate è isolato e gli strati di materiali - metallo del terminale di gate, ossido e semiconduttore - danno il nome al componente.

Per comprendere il funzionamento del MOS supponiamo inizialmente che V<sub>GS</sub> valga zero. Applicando una tensione tra drain e source le due giunzioni substrato-source e substrato-drain non conducono e la I<sub>D</sub> è nulla (il substrato è collegato al source). Se ora applichiamo una tensione V<sub>GS</sub> positiva al gate il MOS si comporterà come un condensatore((con gate e semiconduttore come armature e l'ossido come dielettrico)) richiamando elettroni dalle tre zone e creando, oltre una soglia indicata con V<sub>GS(th)</sub>, un canale di tipo //n// tra drain e source (grigio chiaro nel disegno). A questo punto, applicando una tensione V<sub>DS</sub> potrà circolare una corrente I<sub>D</sub> tra drain e source. Come per il JFET, per bassi valori di V<sub>DS</sub> il canale avrà un comportamento resistivo; per valori più elevati si avrà uno strozzamento dovuto al potenziale via via maggiore del terminale di drain che non permette alla corrente di aumentare. Aumentando il valore di V<sub>GS</sub> si ha un allargamento del canale e lo strozzamento avviene per valori di V<sub>DS</sub> più elevati.

==== Caratteristiche ====

La //figura 16b// mostra la caratteristica di uscita di un NMOS. La famiglia di curve che esprimono il legame tra I<sub>D</sub> e V<sub>DS</sub> è analoga a quella dei JFET ma la V<sub>GS</sub> è positiva e corrente e pendenza crescono al crescere di V<sub>GS</sub>. Anche in questo caso abbiamo una zona resistiva, a sinistra del tratteggio, e una di saturazione (attiva) a destra. 

La //figura 16a// rappresenta la caratteristica di trasferimento, questa volta posta nel primo quadrante, dove compaiono:
  * la tensione di soglia V<sub>GS(th)</sub> (indicata anche come V<sub>T</sub>) oltre la quale il MOS risulta interdetto
  * la corrente I<sub>DSS</sub>, di valore trascurabile, che circola quando V<sub>GS</sub> vale zero
Nei data sheet è indicata anche una I<sub>D(on)</sub> che circola in in piena conduzione in corrispondenza di un determinato valore di V<sub>GS</sub>. 

Diversamente dai JFET il transistor NMOS funziona con valori di V<sub>GS</sub> positivi; il circuito di polarizzazione sarà allora diverso (vedi //figura 17//) e nel funzionamento in commutazione si avrà:
  * NMOS interdetto se V<sub>GS</sub> < V<sub>T</sub>
  * NMOS in piena conduzione per valori sufficientemente alti di V<sub>GS</sub>

Il circuito per il funzionamento ON-OFF dell'NMOS è analogo a quello del JFET e per entrambi il comportamento del transistor può essere assimilato a quello di un interruttore con in serie una resistenza r<sub>DS(on)</sub> ricavabile dai data sheet((laddove i BJT che lavorano in commutazione possono essere rappresentati come un interruttore seguito da un generatore di tensione pari a V<sub>CE(sat)</sub>)).


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BJT vs FET da http://www.quora.com/What-are-the-pros-and-cons-of-BJT-versus-FET-transistor
  * pro BJT: -capacità +velocità +guadagno + lineari +corrente -Rout
  * contro BJT: +consumo -Rin +dispersione -integrazione
  * pro MOSFET: +integrazione, +Rin -consumo -influenzatemperatura(fugatermica)
  * contro MOSFET: -linearità +capacità difficile con RLbassa -guadagno +rumore

JFET vs MOSFET da http://www.circuitstoday.com/jfet-and-mosfet-comparison
  * pro JFET: -rumore +lineari
  * contro JFET: -Rin -integrazione +costo sempre meno importanti

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