Che cos’è un FET: Transistor a effetto campo: Tipi, Tecnologia, …

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Il transistor a effetto campo, FET è un componente elettronico chiave utilizzato in molte aree dell’industria elettronica.

Il FET usato in molti circuiti costruiti da componenti elettronici discreti in aree dalla tecnologia RF al controllo di potenza e alla commutazione elettronica all’amplificazione generale.

Tuttavia l’uso principale per il transistor a effetto campo, FET è all’interno dei circuiti integrati. In questa applicazione i circuiti FET consumano livelli molto più bassi di potenza rispetto ai circuiti integrati che utilizzano la tecnologia dei transistor bipolari. Questo permette ai circuiti integrati su larga scala di funzionare. Se si utilizzasse la tecnologia bipolare, il consumo di potenza sarebbe di ordini di grandezza maggiori e la potenza generata sarebbe troppo grande per essere dissipata dal circuito integrato.

Oltre a essere utilizzati nei circuiti integrati, le versioni discrete dei transistor a effetto di campo sono disponibili sia come componenti elettronici con piombo sia come dispositivi a montaggio superficiale.

Transistor a effetto di campo, storia dei FET

Prima che i primi FET fossero introdotti nel mercato dei componenti elettronici, il concetto era noto da diversi anni. C’erano state molte difficoltà nel realizzare questo tipo di dispositivo e nel farlo funzionare.

Alcuni dei primi concetti per il transistor a effetto di campo furono delineati in un documento di Lilienfield nel 1926, e in un altro documento di Heil nel 1935.

Le basi successive furono poste negli anni ’40 ai Bell Laboratories dove fu creato il gruppo di ricerca sui semiconduttori. Questo gruppo studiò una serie di aree relative ai semiconduttori e alla tecnologia dei semiconduttori, una delle quali era un dispositivo che avrebbe modulato la corrente che scorre in un canale semiconduttore, collocando un campo elettrico vicino ad esso.

Durante questi primi esperimenti, i ricercatori non furono in grado di far funzionare l’idea, trasformando le loro idee in un’altra idea e infine inventando un’altra forma di componente elettronico a semiconduttore: il transistor bipolare.

Dopo questo gran parte della ricerca sui semiconduttori si concentrò sul miglioramento del transistor bipolare, e l’idea di un transistor a effetto di campo non fu pienamente studiata per qualche tempo. Ora i FET sono molto usati, fornendo il principale elemento attivo in molti circuiti integrati. Senza questi componenti elettronici la tecnologia elettronica sarebbe molto diversa da quella che è ora.

Transistor a effetto di campo – le basi

Il concetto di transistor a effetto di campo si basa sul concetto che la carica su un oggetto vicino può attrarre cariche all’interno di un canale semiconduttore. Funziona essenzialmente usando un effetto di campo elettrico – da qui il nome.

Il FET consiste in un canale semiconduttore con elettrodi ad entrambe le estremità chiamati drain e source.

Un elettrodo di controllo chiamato gate è posto molto vicino al canale in modo che la sua carica elettrica sia in grado di influenzare il canale.

In questo modo, il gate del FET controlla il flusso dei portatori (elettroni o buchi) che vanno dalla sorgente al drenaggio. Lo fa controllando la dimensione e la forma del canale conduttivo.

Il canale semiconduttore dove avviene il flusso di corrente può essere di tipo P o di tipo N. Questo dà origine a due tipi o categorie di FET conosciuti come FET a canale P e a canale N.

In aggiunta a questo, ci sono altre due categorie. L’aumento della tensione sul gate può esaurire o aumentare il numero di portatori di carica disponibili nel canale. Di conseguenza ci sono FET in modalità di potenziamento e FET in modalità di esaurimento.

Poiché è solo il campo elettrico che controlla la corrente che scorre nel canale, si dice che il dispositivo funziona in tensione e ha un’alta impedenza di ingresso, di solito molti megaohm. Questo può essere un netto vantaggio rispetto al transistor bipolare che è azionato in corrente e ha un’impedenza d’ingresso molto più bassa.

Circuiti FET

I transistor a effetto di campo sono ampiamente utilizzati in tutte le forme di circuito da quelli utilizzati nei circuiti con componenti elettronici discreti, a quelli impiegati nei circuiti integrati.

Poiché il transistor a effetto di campo è un dispositivo azionato in tensione piuttosto che un dispositivo a corrente come il transistor bipolare, questo significa che alcuni aspetti del circuito sono molto diversi: le disposizioni di polarizzazione in particolare. Tuttavia la progettazione di circuiti elettronici con i FET è relativamente facile – è solo un po’ diversa da quella con i transistor bipolari.

Utilizzando i FET, si possono progettare circuiti come amplificatori di tensione, buffer o current followers, oscillatori, filtri e molti altri, e i circuiti sono molto simili a quelli dei transistor bipolari e anche delle valvole termoioniche / tubi a vuoto. È interessante notare che le valvole / tubi sono anche dispositivi azionati in tensione, e quindi i loro circuiti sono molto simili, anche in termini di disposizioni di bias.

Tipi di transistor a effetto di campo

Ci sono molti modi per definire i diversi tipi di FET che sono disponibili. I diversi tipi significano che durante la progettazione del circuito elettronico, c’è una scelta del componente elettronico giusto per il circuito. Selezionando il dispositivo giusto è possibile ottenere le migliori prestazioni per il circuito dato.

I FET possono essere classificati in diversi modi, ma alcuni dei principali tipi di FET possono essere coperti nel diagramma ad albero qui sotto.

Ci sono molti tipi diversi di FET sul mercato per i quali ci sono vari nomi. Alcune delle principali categorie sono ritardate qui sotto.

• Junction FET, JFET: Il FET a giunzione, o JFET, utilizza una giunzione a diodi con polarizzazione inversa per fornire la connessione del gate. La struttura consiste in un canale semiconduttore che può essere di tipo N o di tipo P. Un diodo semiconduttore è poi fabbricato sul canale in modo tale che la tensione sul diodo influenzi il canale FET.

  In funzione questo è invertito e questo significa che è effettivamente isolato dal canale – solo la corrente inversa del diodo può scorrere tra i due. Il JFET è il tipo più basilare di FET, e quello che è stato sviluppato per primo. Tuttavia fornisce ancora un servizio eccellente in molti settori dell’elettronica.

  Leggi di più su . . . . transistor a effetto di campo a giunzione, JFET.

• Insulated Gate FET / Metal Oxide Silicon FET MOSFET: Il MOSFET utilizza uno strato isolato tra il gate e il canale. Tipicamente questo è formato da uno strato di ossido del semiconduttore.

  Il nome IGFET si riferisce a qualsiasi tipo di FET che ha un gate isolato. La forma più comune di IGFET è il MOSFET al silicio – Metal Oxide Silicon FET. Qui, il gate è costituito da uno strato di metallo posato sull’ossido di silicio che a sua volta si trova sul canale di silicio. I MOSFET sono ampiamente utilizzati in molti settori dell’elettronica e in particolare nei circuiti integrati.

  Il fattore chiave dell’IGFET / MOSFET è l’impedenza estremamente alta del gate che questi FET sono in grado di fornire. Detto questo, ci sarà una capacità associata e questo ridurrà l’impedenza d’ingresso all’aumentare della frequenza.

  Leggi tutto su . . . . FET in ossido di metallo e silicio, MOSFET.

• MOSFET a doppio gate: Questa è una forma specializzata di MOSFET che ha due gate in serie lungo il canale. Questo permette di ottenere alcuni notevoli miglioramenti nelle prestazioni, soprattutto a RF, rispetto ai dispositivi a singolo gate.

  Il secondo gate del MOSFET fornisce un ulteriore isolamento tra l’ingresso e l’uscita, e oltre a questo può essere utilizzato in applicazioni come la miscelazione / moltiplicazione.

  Per saperne di più . . . . MOSFET a doppio gate.

• MESFET: Il MEtal Silicon FET è normalmente fabbricato usando l’arseniuro di gallio ed è spesso indicato come un GaAs FET. Spesso i GaAsFET sono usati per applicazioni RF dove possono fornire prestazioni ad alto guadagno e basso rumore. Uno degli svantaggi della tecnologia GaAsFET deriva dalla struttura di gate molto piccola, e questo la rende molto sensibile ai danni da scariche elettrostatiche. Bisogna fare molta attenzione quando si maneggiano questi dispositivi.

  Leggi di più su . . . MESFET / GaAsFET.

• HEMT / PHEMT: Il Transistor ad Alta Mobilità Elettronica e il Transistor Pseudomorfo ad Alta Mobilità Elettronica sono sviluppi del concetto base di FET, ma sviluppati per permettere un funzionamento ad altissima frequenza. Anche se costosi, permettono di raggiungere frequenze molto alte e alti livelli di prestazioni.

  Per saperne di più . . . . HEMT / PHEMT.

• FinFET: La tecnologia FinFET viene ora utilizzata all’interno dei circuiti integrati per consentire livelli più elevati di integrazione da raggiungere consentendo dimensioni più piccole. Poiché sono necessari livelli di densità più elevati e diventa sempre più difficile realizzare feature di dimensioni sempre più piccole, la tecnologia FinFET viene utilizzata più ampiamente.

  Per saperne di più . . . . FinFET.

• VMOS: VMOS standard per MOS verticale. È un tipo di FET che usa un flusso di corrente verticale per migliorare le prestazioni di commutazione e di trasporto della corrente. I FET VMOS sono ampiamente utilizzati per applicazioni di potenza.

Anche se ci sono altri tipi di transistor a effetto di campo che si possono vedere in letteratura, spesso questi tipi sono nomi commerciali per una particolare tecnologia e sono varianti di alcuni dei tipi di FET elencati sopra.

Specifiche FET

Oltre a scegliere un particolare tipo di transistor a effetto di campo per un dato circuito, è anche necessario capire le diverse specifiche. In questo modo è possibile garantire che il FET operi secondo i parametri di prestazione richiesti.

Le specifiche del FET includono tutto, dalle tensioni e correnti massime ammissibili ai livelli di capacità e alla transconduttanza. Tutti questi fattori giocano un ruolo nel determinare se un particolare FET è adatto a un determinato circuito o applicazione.

La tecnologia dei transistor a effetto di campo può essere usata in una serie di aree in cui i transistor bipolari non sono adatti: ognuno di questi dispositivi a semiconduttore ha i suoi vantaggi e svantaggi, e può essere usato con grande effetto in molti circuiti. Il transistor a effetto di campo ha un’impedenza d’ingresso molto alta ed è un dispositivo guidato dalla tensione e questo lo apre all’uso in molte aree.

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