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Transistor a effetto di campo: differenze tra le versioni

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Il '''transistor a effetto di campo''', anche conosciuto con l'[[abbreviazione]] '''FET''',<ref>"FET" è un [[prestito linguistico|prestito]] dell'[[lingua inglese|inglese]]. In particolare è l'[[acronimo]] del termine inglese "'''f'''ield-'''e'''ffect '''t'''ransistor". Nella lingua inglese "field-effect transistor" viene usato con lo stesso significato che questa voce di [[Wikipedia]] tratta per il termine italiano "transistor a effetto di campo".</ref><ref>Nel [[linguaggio comune]], tra i due sinonimi "transistor a effetto di campo" e "FET", è quasi sempre preferito "FET" (per la sua maggiore brevità).</ref> è una tipologia di [[transistor]] largamente usata nel campo dell'[[elettronica digitale]] e diffusa, in maniera minore, nell'[[elettronica analogica]].
 
Si tratta di un substrato di materiale [[semiconduttore]] drogato, solitamente il [[silicio]], al quale sono applicati quattro terminali: una ''gateporta'' (porta), una ''sourcesorgente'' (sorgente), un ''drainpozzo ''ed (pozzo) eun ''bulksubstrato'' (substrato); quest'ultimo, se presente, è generalmente connesso alalla sourcesorgente e se non presente è connesso al terminale esterno didella gateporta. Il principio di funzionamento del transistor a effetto di campo si fonda sulla possibilità di controllare la [[conduttività elettrica]] del dispositivo, e quindi la [[corrente elettrica]] che lo attraversa, mediante la formazione di un [[campo elettrico]] al suo interno. Il processo di conduzione coinvolge solo i [[portatore di carica|portatori di carica]] maggioritari, pertanto questo tipo di transistore è detto ''unipolare''.
coinvolge solo i [[portatore di carica|portatori di carica]] maggioritari, pertanto questo tipo di transistore è detto ''unipolare''.
 
La diversificazione dei metodi e dei materiali usati nella realizzazione del dispositivo ha portato alla distinzione di tre principali famiglie di FET: [[JFET]], [[MESFET]] e [[MOSFET]]. Il JFET, abbreviazione di ''Junction FET'', è dotato di una [[giunzione p-n]] come elettrodo rettificante; il MESFET, abbreviazione di ''Metal Semiconductor FET'', una giunzione Schottky raddrizzante metallo-semiconduttore ed il MOSFET, abbreviazione di ''Metal Oxide Semiconductor FET'', genera il campo elettrico grazie ad una struttura metallica esterna, separata dalla giunzione da uno strato di dielettrico.
metallica esterna, separata dalla giunzione da uno strato di dielettrico.
 
Il transistor a effetto di campo è stato inventato da [[Julius Edgar Lilienfeld]] in 1925, ma i primi dispositivi costruiti, i [[JFET]], risalgono 1952, quando fu tecnologicamente possibile realizzarli. Il Fet più diffuso è il [[MOSFET]], realizzato da [[Dawon Kahng]] e [[Martin Atalla]] nel 1959 presso i [[Bell Laboratories]].<ref>{{cita web|url=http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-MOS.html|titolo=Computer History - 1960 - Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated|accesso=4 dicembre 2010}}</ref> Insieme al [[transistor a giunzione bipolare]], il FET è il transistor più diffuso in elettronica: a differenza del BJT esso presenta il vantaggio di avere il terminale ''porta ''di controllo isolato, nel quale non passa alcuna corrente; mentre ha lo svantaggio di non essere in grado di offrire molta [[corrente elettrica|corrente]] in uscita. In genere i circuiti con transistor FET hanno infatti una alta [[impedenza]] di uscita, erogando quindi correnti molto deboli.
Insieme al [[transistor a giunzione bipolare]], il FET è il transistor più diffuso in elettronica: a differenza del BJT esso presenta il vantaggio di avere il terminale gate di controllo isolato, nel quale non passa alcuna corrente; mentre ha lo svantaggio di non essere in grado di offrire molta [[corrente elettrica|corrente]] in uscita. In genere i circuiti con transistor FET hanno infatti una alta [[impedenza]] di uscita, erogando quindi correnti molto deboli.
 
== Struttura ==
[[File:N-channel JFET.JPG|thumb|right|200px|Sezione di un JFET a canale n]]
[[File:MOSFET_schema.png|thumb|right|200px|Sezione di un MOSFET a canale p]]
Il transistor ad effetto di campo viene realizzato affiancando il terminale di gate''porta ''da due regioni di silicio [[drogaggio|drogate]] in maniera opposta al ''substrato'', che costituiscono i terminali di drain ("''pozzo") ''e source ("''sorgente")''. Tali diffusioni costituiscono una [[giunzione p-n]], un contatto tra i blocchi di tipo P e di tipo N ed è priva di [[Portatore di carica|portatori]] liberi. Ai due lati della giunzione vi è una [[differenza di potenziale]] costante, chiamata [[Regione di carica spaziale#Tensione di built-in|tensione di built-in]], che deve mantenere una polarizzazione inversa per il funzionamento del dispositivo.
Tali diffusioni costituiscono una [[giunzione p-n]], un contatto tra i blocchi di tipo P e di tipo N ed è priva di [[Portatore di carica|portatori]] liberi. Ai due lati della giunzione vi è una [[differenza di potenziale]] costante, chiamata [[Regione di carica spaziale#Tensione di built-in|tensione di built-in]], che deve mantenere una polarizzazione inversa per il funzionamento del dispositivo.
 
La regione di substrato compresa tra i due terminali drain''pozzo ''e source''sorgente ''è detta '''regione di canale''', ed è caratterizzata da una ''lunghezza di canale L'' e da una ''larghezza di canale W'', misurate rispettivamente lungo la direzione parallela e perpendicolare rispetto al verso della corrente che percorre il canale. Tale regione fornisce un percorso conduttivo tra i due terminali ed è separata daldalla gate''porta ''da un sottile strato solitamente composto da biossido di silicio.
 
=== Distribuzione delle cariche all'interno del semiconduttore ===
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==== Regione di accumulazione ====
La regione di accumulazione si verifica quando all'elettrodo di gate''porta ''viene imposta una tensione negativa rispetto all'elettrodo di substrato, generalmente posto a massa. In questa configurazione le lacune del substrato si accumulano in un piccolo strato in prossimità del gateterminale di ''porta'': questa è la condizione di accumulazione.
 
==== Regione di svuotamento ====
La regione di svuotamento si verifica quando all'elettrodo di gate''porta ''viene imposta una tensione positiva rispetto all'elettrodo di ''substrato''. In questa configurazione le lacune del substrato si allontanano daldalla gate''porta'', lasciando una regione di svuotamento in prossimità di esso.
 
==== Regione di Inversione ====
La regione di inversione si verifica quando all'elettrodo di gate''porta ''viene imposta una tensione positiva superiore ad una certa tensione, detta [[tensione di soglia]]. In questa configurazione gli elettroni presenti nel substrato vengono attratti daldalla gate''porta'', e se la tensione supera la tensione di soglia la concentrazione di elettroni in prossimità del gateterminale di ''porta ''è maggiore di quella delle lacune: si forma così uno strato di inversione nel quale il silicio è diventato drogato di tipo ''n''.
 
Lo strato di inversione è molto sottile e l'elevata concentrazione di elettroni è spiegata dal processo di generazione elettrone-lacune nella regione di svuotamento.
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== Funzionamento ==
In un transistor FET l'effetto transistor si ottiene tramite il campo elettrico indotto dalla [[tensione elettrica|tensione]] applicata tra il terminale di gate''porta ''e l'estremità opposta del semiconduttore, detta ''bulksubstrato'', che è generalmente posto al potenziale di source''sorgente''. Tale differenza di potenziale crea un canale di conduzione nel silicio attraverso il quale i portatori di carica si spostano daldalla source''sorgente ''al drain''pozzo ''nel caso di un FET a canale N, dadal drain''pozzo a''alla source''sorgente'' nel caso di un FET a canale P. L'applicazione di una tensione alalla gate''porta ''permette quindi di controllare il passaggio di [[Carica (fisica)|cariche]] tra illa source''sorgente ''e il drain''pozzo'', e quindi la [[corrente elettrica]] che attraversa il dispositivo.
 
Per un transistor FET a canale ''n'' la regione di substrato che collega drain''pozzo ''e source''sorgente'' , la regione di canale, può essere o ricca di lacune, o vuota, o ricca di elettroni a seconda che sia rispettivamente di accumulazione, di svuotamento o di inversione. Quando si applica una tensione superiore alla tensione di soglia <math>V_{tn}</math> tra i terminali di gate''porta e'' source''sorgente'', ottenendo la regione di inversione, vi è un passaggio di cariche attraverso il canale controllato dalla tensione al terminale di ''gateporta''. Se la tensione è invece inferiore alla tensione di soglia vi è il passaggio di una piccola corrente, detta [[corrente di sottosoglia]].
 
Per un transistor FET a canale p, le distribuzioni di carica sono contrarie, per cui il substrato ha un drogaggio di tipo ''n'' e i terminali di gate''porta ''e source''sorgente ''di tipo ''p''.
 
A seconda della tensione applicata tra gate''porta ''e ''substrato ''si individuano tre regioni di lavoro del dispositivo:
[[File:JFET n-channel en.svg|thumbnail|400px|Caratteristiche di trasferimento per un JFET a canale ''n''.]]
[[Image:MOSFET functioning.svg|thumb|400px|right|Caratterizzazione della regione di canale in funzione della regione di funzionamento. Quando il dispositivo lavora nella regione di saturazione il canale è strozzato in prossimità del ''drain'', e la corrente dipende solamente dalla tensione tra ''gate'' e ''source''.]]
=== Regione di interdizione ===
La regione di interdizione, anche detta di ''cut-off'', si verifica quando ''V<sub>GS</sub> < V''<sub>th</sub>, dove ''V<sub>GS</sub>'' è la tensione tra gate''porta e'' source''sorgente'', considerando il terminale di source''sorgente ''cortocircuitato con l'elettrodo del ''substrato''. In questo caso non si verifica la formazione del canale: il transistor è spento e non vi è passaggio di carica tra gate''porta e'' source''sorgente''.
 
=== Regione lineare ===
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</ref> o ''di triodo'', si verifica quando <math>V_{GS} > V_{tn}</math> e <math>V_{DS} < (V_{GS} - V_{tn})</math>.
 
In questo caso il transistor è acceso, e si è creato il canale che permette il passaggio di corrente tra i terminali source''pozzo ''e drain''sorgente'' controllato dalla tensione V<sub>GS</sub>. Avendo il canale una componente resistiva, il MOSFET lavora come un [[resistore]]
 
=== Regione di saturazione ===
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| editore=Oxford | città=New York | id=ISBN 0-19-514251-9
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</ref> si verifica quando <math>V_{GS} > V_{tn}</math> e <math>V_{DS} > (V_{GS} - V_{tn})</math>. All'aumentare della tensione <math>V_{DS}</math> tra drain''pozzo ''e source''sorgente'', la differenza di potenziale <math>V_{GD} = V_{GS} - V_{DS}</math> fra illa gate''porta ''e la regione del canale vicina al ''drainpozzo '' diminuisce, ed il canale viene progressivamente strozzato in prossimità di esso. Tale fenomeno è detto ''pinch-off'', e la strozzatura si verifica nel punto di ascissa <math>L'</math>, pari alla lunghezza del canale, in cui il potenziale è pari a <math>V_{GS} - V_{tn}</math>.<ref name=seiuno>{{Cita|Spirito|Pag. 61|Spirito}}</ref> La carica di inversione, dunque, diminuisce all'avvicinarsi al terminale di ''drainpozzo'', e questo implica che una volta raggiunto il completo strozzamento il valore della corrente <math>I_{D}</math> che percorre il canale non dipende dalla variazione di <math>V_{DS}</math>, dal momento che la tensione ai capi del canale ohmico rimane costante. Le cariche attraversano quindi la regione svuotata <math>L - L'</math> sostenute dal campo elettrico, sicché la corrente dipende solamente dalla tensione <math>V_{GS}</math>, ed il transistor funziona come [[Amplificatore (elettronica)|amplificatore]].<ref name=seiuno/> Quando il transistor lavora in regione di saturazione la corrente dipende quadraticamente dalla tensione tra ''porta e'' ''sorgente'':<brref>{{Cita|Spirito|Pag. 62|Spirito}}</ref>▼
</ref> si verifica quando <math>V_{GS} > V_{tn}</math> e <math>V_{DS} > (V_{GS} - V_{tn})</math>.
▲All'aumentare della tensione <math>V_{DS}</math> tra drain e source, la differenza di potenziale <math>V_{GD} = V_{GS} - V_{DS}</math> fra il gate e la regione del canale vicina al ''drain'' diminuisce, ed il canale viene progressivamente strozzato in prossimità di esso. Tale fenomeno è detto ''pinch-off'', e la strozzatura si verifica nel punto di ascissa <math>L'</math>, pari alla lunghezza del canale, in cui il potenziale è pari a <math>V_{GS} - V_{tn}</math>.<ref name=seiuno>{{Cita|Spirito|Pag. 61|Spirito}}</ref> La carica di inversione, dunque, diminuisce all'avvicinarsi al terminale di ''drain'', e questo implica che una volta raggiunto il completo strozzamento il valore della corrente <math>I_{D}</math> che percorre il canale non dipende dalla variazione di <math>V_{DS}</math>, dal momento che la tensione ai capi del canale ohmico rimane costante. Le cariche attraversano quindi la regione svuotata <math>L - L'</math> sostenute dal campo elettrico, sicché la corrente dipende solamente dalla tensione <math>V_{GS}</math>, ed il transistor funziona come [[Amplificatore (elettronica)|amplificatore]].<ref name=seiuno/><br>
Quando il transistor lavora in regione di saturazione la corrente dipende quadraticamente dalla tensione tra ''gate'' e ''source'':<ref>{{Cita|Spirito|Pag. 62|Spirito}}</ref>
 
:<math>I_{Dsat} \simeq K (V_{GS}-V_{tn})^2</math>
 
== Simbolo circuitale ==
I simboli circuitali dei FET sono molteplici, tutti caratterizzati dall'avere i tre terminali, gate''porta,'' source''sorgente ''e drain''pozzo'', identificati da una linea: quella deldella gate''porta ''è perpendicolare alle altre due. La connessione del substrato è mostrata da una freccia che punta da P a N, cioè nel caso di un FetFET a canale ''p'', punta dal bulk''substrato ''al canale. Il contrario accade per il FetFET a canale ''n''. Nel caso il terminale di bulk''substrato ''non sia mostrato, per il [[MOSFET]] si usa il simbolo invertente (un pallino in prossimità deldella gate''porta'') per identificare i pMOS; in alternativa una freccia sulsulla source''sorgente ''indica l'output per il nMOS o l'input per il pMOS.
 
Di seguito il confronto tra i vari simboli di MOSFET e [[JFET]]:
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| [[File:JFET N-Channel Labelled.svg|80px]] || [[File:IGFET N-Ch Enh Labelled.svg|80px]] || [[File:IGFET N-Ch Enh Labelled simplified.svg|80px]] || [[File:Mosfet N-Ch Sedra.svg|80px]] || [[File:IGFET N-Ch Dep Labelled.svg|80px]] || N-channel
|- align = "center"
| JFET || MOSFET enh || colspan="2" | MOSFET enh (no bulk''substrato'') || MOSFET dep
|}
 
Per i simboli in cui è mostrato il terminale di bulk''substrato'', esso appare connesso alalla source''sorgente'': questa è una configurazione tipica, ma non è l'unica possibile. In generale il MOSFET è un dispositivo a quattro terminali.
 
== Tipologie ==
[[File:FET_comparison.png|right|300px|thumb|Rappresentazione dei tipi di [[JFET]], [[MOSFET]] in [[polisilicio]], [[Dual Gate MOSFET|DGMOSFET]], metal-gate MOSFET, [[MESFET]]: in alto vi è il source, in basso il drain, a sinistra il gate, a destra il bulk. Sono indicati in grigio la regione priva di portatori di carica, in rosso la regione ricca di lacune, in blu la regione ricca di elettroni, in bianco l'isolante ed in nero il metallo.]]
I transistor a effetto di campo si possono distinguere in varie tipologie a seconda della differente struttura e composizione: per ogni tipologia vi sono vari modelli, differenziati dal modo in cui viene isolato il terminale di gate''porta ''dal canale. Le principali tipologie sono elencate di seguito:
 
* '''[[DEPFET]]''', FET composto da ''substrato ''completamente svuotato, è usato come sensore, amplificatore e nodo di memoria.
* '''[[Dual Gate MOSFET|DGMOSFET]]''', mosfet con due terminali di gate''porta''.
* '''[[DNA field-effect transistor|DNAFET]]''', particolare tipo di FET basato sulla struttura del [[DNA]], usato come [[biosensore]].
* '''[[FREDFET]]''', acronimo di ''Fast Reverse or Fast Recovery Epitaxial Diode'' FET.
Line 113 ⟶ 107:
* '''[[MESFET]]''', acronimo di ''Metal–Semiconductor Field-Effect Transisto'', dispositivo che sostituisce alla [[giunzione p-n]] la barriera di Schottky.
* '''[[MODFET]]''', acronimo di ''Modulation-Doped Field Effect Transistor'', usa una struttura a [[buca di potenziale]].
* '''[[MOSFET]]''', acronimo di ''Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor'', utilizza un [[isolante]] tra gate''porta ''e ''substrato''.
* '''[[NOMFET]]''', acronimo di ''Nanoparticle Organic Memory FET''.
* '''[[OFET]]''', acronimo di ''Organic FET'', usa un semiconduttore organico.
Estratto da "https://it.wikipedia.org/wiki/Transistor_a_effetto_di_campo"