jfet - i transistori ad effetto di campo a giunzione - atuttoportale
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COSA SONO I JFET OVVEROI TRANSISTORI AD EFFETTO DI CAMPO A GIUNZIONEDi Vincenzo iorioQuesta è una precisazione necessaria visto che esistono due tipi <strong>di</strong><strong>transistori</strong> a <strong>effetto</strong> <strong>di</strong> <strong>campo</strong>. In questo articolo cominceremo <strong>ad</strong> effettuare lanostra conoscenza con il transistore <strong>ad</strong> <strong>effetto</strong> <strong>di</strong> <strong>campo</strong> a <strong>giunzione</strong>,chiamato anche JFET oppure soltanto FET. L'altro <strong>di</strong>spositivo chiamatoMOSFET oppure a volte, soltanto MOS, è un transistore molto importanteche il lettore ha già sentito nominare, ma che affronteremo in un articolosuccessivo.Nel 1948 i ricercatori della Bell American Telephon & Telegraph Co:William Shockley, Thon Bardeen e Walter H. Brattain scoprirono il transistorebipolare. Questo <strong>di</strong>spositivo come è noto, funziona me<strong>di</strong>ante la formazione <strong>di</strong>due giunzioni elettroniche attraverso le quali scorre la corrente. Quest'ultimaviene controllata per mezzo <strong>di</strong> un'altra corrente che possiamo far circolarenel terminale <strong>di</strong> ingresso. Il transistore bipolare è infatti un <strong>di</strong>spositivo a treterminali comandato in corrente. Inoltre il funzionamento del transistore èdeterminato dall'<strong>effetto</strong> combinato <strong>di</strong> due portatori <strong>di</strong> carica. Questo è ilmotivo per il quale tale <strong>di</strong>spositivo si chiama bipolare. Il transistore FET èinvece un componente un tantino <strong>di</strong>verso dal suo predecessore. Innanzituttoil funzionamento è basato sul passaggio <strong>di</strong> corrente <strong>di</strong> un solo portatore <strong>di</strong>carica e poi si tratta <strong>di</strong> un <strong>di</strong>spositivo comandato in tensione.Il nome FET significa Field Effect Transistor. Il FET sostanzialmentepuò essere pensato come una conduttanza realizzata a semiconduttore,controllata per mezzo <strong>di</strong> un <strong>campo</strong> elettrico applicato dall'esterno eperpen<strong>di</strong>colare al moto della corrente.Prima <strong>di</strong> descrivere il funzionamento del FET occorre fare alcuneprecisazioni circa il funzionamento <strong>di</strong> una <strong>giunzione</strong> elettronica asemiconduttore. Non accenneremo che pochi concetti essenziali,rimandando eventualmente <strong>ad</strong> un successivo articolo una trattazione piùparticolareggiata <strong>di</strong> questa teoria. Per realizzare un <strong>di</strong>odo a semiconduttore èsufficiente porre a stretto contatto fra <strong>di</strong> loro due blocchi <strong>di</strong> semiconduttoredrogati in modo complementare. Come sappiamo possiamo averesemiconduttori drogati tipo N, utilizzando del silicio monocristallino, a cuiabbiamo sostituito alcuni dei suoi atomi del reticolo cristallino con atomidonatori. E possiamo avere semiconduttori drogati tipo P, sostituendo partedegli atomi <strong>di</strong> silicio con atomi accettori. Gli atomi donatori fornisconoelettroni nel reticolo <strong>di</strong> silicio, gli atomi accettori invece assorbono elettroniproducendo buche <strong>di</strong> potenziale o lacune.Nel primo caso abbiamo conduzione elettrica attraverso passaggio <strong>di</strong>elettroni negativi, nel secondo caso il passaggio <strong>di</strong> corrente è ottenuto dalacune o cariche positive. Se poniamo in contatto il cristallo <strong>di</strong> silicio drogato
tipo N con quello drogato tipo P, otteniamo una <strong>giunzione</strong>. A questo punto siverifica un fenomeno abbastanza curioso: non appena i due cristalli vengonoposti a contatto si ottiene uno svuotamento <strong>di</strong> cariche nella regione inprossimità della <strong>giunzione</strong>. Questo svuotamento è originato dalla normaleattitu<strong>di</strong>ne delle cariche <strong>di</strong> annullarsi vicendevolmente se hanno una caricaelettrica complementare. La figura n.1/b mostra appunto questo fatto.Lo svuotamento <strong>di</strong> cariche ovviamente produce un potenziale che per ilsilicio è pari a circa 0.6 V. Questo <strong>campo</strong> elettrico è chiamato barriera <strong>di</strong>potenziale. Quello che a noi interessa maggiormente è il fenomeno chesi genera quando poniamo la <strong>giunzione</strong> in un <strong>campo</strong> elettrico. Questo fattopuò essere ottenuto collegando la <strong>giunzione</strong> a una batteria elettrica chefornisce un certo potenziale. Se il potenziale è applicato in modo tale darendere positivo il blocchetto drogato tipo P, rispetto a quello N, avremo unariduzione della barriera <strong>di</strong> potenziale. Quest'ultimo caso produce comeconseguenza il passaggio <strong>di</strong> corrente nel <strong>di</strong>odo ed è illustrato dalla figura 1/c.Se invece il potenziale è applicato in modo tale da rendere negativo ilblocchetto drogato tipo P, rispetto a quello N, avremo un aumento della zon<strong>ad</strong>i svuotamento. Questo è il caso in cui il <strong>di</strong>odo è in inter<strong>di</strong>zione e non passacorrente. La figura 1/d mostra questo fatto.Fig. 1
Una zona <strong>di</strong> svuotamento è quin<strong>di</strong> un volume nel quale poiché nonsussistono portatori <strong>di</strong> carica, la conducibilità elettrica in quello specificovolume è minima.La nostra breve trattazione sulla <strong>giunzione</strong> è stata molto superficiale emolto semplificata, ma il nostro intento era quello <strong>di</strong> fare alcune precisazionisulla barriera <strong>di</strong> potenziale. A questo punto possiamo descrivere ilfunzionamento del transistore FET con la sicurezza <strong>di</strong> essere più chiari circala fisica del suo funzionamento.COME FUNZIONAIl transistore FET è un <strong>di</strong>spositivo che possiamo immaginare costituitoda un blocchetto <strong>di</strong> materiale drogato opportunamente, per esempio tipo N,sui lati del quale sono poste due regioni drogate tipo P. La fig. n.2 mostra unesempio. Le regioni drogate tipo P sono connesse elettricamente fra loro ecostituiranno l'ingresso <strong>di</strong> controllo del<strong>di</strong>spositivo chiamato GATE. Sul blocchettodrogato tipo N, sono praticate due connessionichiamate rispettivamente DRAIN (pozzo) eSOURCE (sorgente). Questo tipo <strong>di</strong> FET sichiama FET a canale N. Ovviamente fatte ledebite <strong>di</strong>fferenze, quello che <strong>di</strong>remo è validoanche per il FET a canale P.Per quanto riguarda il funzionamentopotremo riferirci alla figura n.3 che mostra unatipica connessione a source comune.Questa figura illustra il modo corretto <strong>di</strong>inserire i generatori <strong>di</strong> tensione che permettonoil funzionamento del FET. Il generatore <strong>di</strong>Fig. n.2tensione Vcc è utilizzato per alimentare ilcircuito <strong>di</strong> uscita del FET. In questo circuito lacorrente passa agevolmente poichè essa èregolata soltanto dalla resistenza intrinseca del blocchetto tipo N e dallaresistenza <strong>di</strong> carico Rd. Questa corrente prende il nome <strong>di</strong> corrente <strong>di</strong> drained è misurata dal tester posto in serie al circuito <strong>di</strong> uscita. Il circuito <strong>di</strong>ingresso è invece costituito dal
Fig. n.3generatore Vg connesso fra il terminale<strong>di</strong> gate e il source. In quest'ultimocircuito la corrente non può passarepoichè il generatore Vg vede ai suoicapi un <strong>di</strong>odo a <strong>giunzione</strong> polarizzatoinversamente. Questo fatto <strong>di</strong>pendeovviamente dalla <strong>di</strong>sposizione delgeneratore Vg che pone negativa laregione P del gate, ma questo circuitoè quello che il lettore deve realizzarese vuole ottenere un funzionamentoperfetto del <strong>di</strong>spositivo. La <strong>giunzione</strong> <strong>di</strong>gate infatti è polarizzata inversamentequin<strong>di</strong> attorno alle regioni prossime <strong>ad</strong>essa si aprono ampie zone <strong>di</strong>svuotamento.Queste aree essendo prive <strong>di</strong> portatori <strong>di</strong> carica elettrica sono considerate atutti gli effetti zone <strong>ad</strong> altissima resistività. La figura n.4 mostra come per<strong>di</strong>versi valori della tensione del generatore Vg possiamo avere varieampiezze dell'area <strong>di</strong> svuotamento o barriera <strong>di</strong> potenziale.Questo strozzamento del canale <strong>di</strong> conduzione influenza la correnteche attraversa il <strong>di</strong>spositivo realizzando una sorta <strong>di</strong> controllo <strong>di</strong> conducibilità.La figura 4/a mostra infatti un generico FET al quale abbiamo applicato unatensione <strong>di</strong> 2 volt negativi al gate; in questo caso, supposto costante unacerta tensione Vcc, all'interno del canale passano per esempio 29 mA. Lafigura 4/b mostra invece quello che acc<strong>ad</strong>e se portiamo la tensione delgeneratore a 4 volt, la corrente <strong>di</strong> drain in questo caso scende al valore <strong>di</strong> 15mA. Questi valori sono in<strong>di</strong>cati solo per fare un esempio concreto come sestessimo realmente misurando il <strong>di</strong>spositivo in un esperimento <strong>di</strong> laboratorio.
L'asimmetria della zona <strong>di</strong> svuotamento pronunciata verso l'area dellaregione <strong>di</strong> drain è una naturale conseguenza del <strong>campo</strong> elettrico <strong>di</strong>stribuitolungo il blocchetto N, causata dal valore del generatore Vcc.Supponiamo <strong>di</strong> avere un tubo <strong>di</strong> gomma all'interno del quale scorredell'acqua, potremo avere lo stesso <strong>effetto</strong> regolatore del flusso <strong>di</strong> liquido sein una regione del tubo operiamo un restringimento della sua sezione, peresempio stringendolo nel palmo <strong>di</strong> una mano. Se il valore della portat<strong>ad</strong>ell'acqua che scorre nel tubo lo paragoniamo al valore della corrente <strong>di</strong>drain del circuito che abbiamo visto, possiamo per analogia immaginare ilvalore della tensione Vg come la forza esercitata dalla mano che stringe iltubo <strong>di</strong> gomma. In un modo simile funziona il nostro transistore FET.Variando la tensione Vg applicata all'ingresso e come se stringessimo untubo <strong>di</strong> gomma all'interno del quale scorre un flusso <strong>di</strong> acqua (la nostracorrente <strong>di</strong> drain).In parole povere, per mezzo <strong>di</strong> questo <strong>effetto</strong> abbiamo un <strong>di</strong>spositivo in gr<strong>ad</strong>o<strong>di</strong> controllare una corrente, che può essere anche <strong>di</strong> valore piuttosto elevatotramite una tensione in ingresso <strong>di</strong> pochissimi volt. L'osservazione piùimportante è che questo controllo non richiede molta energia. Infatti la<strong>giunzione</strong> <strong>di</strong> ingresso gate/source, funzionando da <strong>di</strong>odo inversamentepolarizzato non richiede passaggio <strong>di</strong> corrente. Da un punto <strong>di</strong> vistastrettamente pratico possiamo <strong>di</strong>re che questa corrente è praticamente zero.
Se pensiamo <strong>di</strong> collegare al posto del generatore Vg all'ingresso del circuitoillustrato un segnale, proveniente da un <strong>di</strong>spositivo qualunque, il nostrocircuito gli offrirà una resistenza elevatissima.Quest'ultima osservazione ci porta alla mente un articolo già apparsosu questo sito che riguarda i tubi elettronici (clicca qui per aprirlo). Come illettore ricorderà, nell’articolo, abbiamo esaminato il funzionamento dei tubielettronici a vuoto e abbiamo detto che i tubi termoionici sono controllati intensione e hanno un'impedenza d'ingresso molto elevata. Ci sono molteanalogie fra i <strong>transistori</strong> FET e i tubi termoionici. Anche i tubi termoionicicome i FET funzionano me<strong>di</strong>ante il passaggio <strong>di</strong> un solo portatore <strong>di</strong> carica.Ad<strong>di</strong>rittura la maggior parte delle formule matematiche che riguardano ilfunzionamento o la progettazione <strong>di</strong> <strong>transistori</strong> FET usano gli stessi simboli egrandezze fisiche utilizzate normalmente per i tubi elettronici.La figura n.5 seguente mostra il simbolo elettronico del transistore FET acanale N e a canale P, confrontato con i <strong>di</strong>spositivi elettronici che sono stati isuoi precussori.Le <strong>di</strong>fferenze importanti che ci permettono <strong>di</strong> inqu<strong>ad</strong>rare i <strong>di</strong>spositivielencati sono queste: i tubi elettronici e i FET sono <strong>di</strong>spositivi unipolarimentre i <strong>transistori</strong> funzionano in modo bipolare. I tubi elettronici e i FETsono <strong>di</strong>spositivi comandati in tensione con un' impedenza d'ingresso moltoelevata; i <strong>transistori</strong> bipolari invece sono comandati in corrente ed hanno unimpedenza d'ingresso molto più bassa. Intanto c'è da considerare che i tubielettronici rispetto ai <strong>transistori</strong> FET utilizzano tensioni <strong>di</strong> lavoro molto piùelevate e per <strong>di</strong> più hanno bisogno della tensione <strong>di</strong> alimentazione delfilamento riscaldatore.CARATTERISTICHE E APPLICAZIONIPer usare un transistore FET a canale N è sufficiente alimentarloopportunamente fornendogli una tensione positiva al drain e polarizzandolosulla <strong>giunzione</strong> <strong>di</strong> gate in modo che questa risulti negativa rispetto al source.
Poichè la conduzione nel circuito <strong>di</strong> drain risulta <strong>di</strong>pendente dal valore <strong>di</strong>tensione che applichiamo al gate, possiamo ottenere una caratteristica chelega la corrente <strong>di</strong> drain in funzione della tensione presente al gate ottenendocosì una funzione chiamata in elettronica caratteristica mutua. Questafunzione è molto importante perchè ci permette <strong>di</strong> in<strong>di</strong>viduare il punto <strong>di</strong>lavoro del componente e <strong>di</strong> estrarre alcune peculiarità tipiche dei FET.Come possiamo osservaredalla figura n.6, la caratteristicamutua esprime proprio ilcomportamentodelcomponente che abbiamodescritto. La caratteristica èstata ricavata per una certatensione applicata a Vds.Valori molto alti <strong>di</strong> tensione <strong>di</strong>gate riducono fortemente lacorrente <strong>di</strong> drain. Valori bassi<strong>di</strong> questa tensione portano il<strong>di</strong>spositivo a lavorare a livelli più elevati <strong>di</strong> corrente <strong>di</strong> drain. Quando lacorrente <strong>di</strong> drain assume il suo valore più alto per Vg uguale a zero, questovalore viene chiamato Idss. Il valore <strong>di</strong> tensione <strong>di</strong> gate invece che azzeracompletamente la corrente <strong>di</strong> drain viene chiamato tensione <strong>di</strong> pinch-off osemplicemente Vp. Questi valori sono comunemente citati dai costruttori cheli riportano sui data-shett relativi ai FET posti in commercio.Possiamo ricavare anche altri tipi <strong>di</strong> caratteristiche da un transistoreFET; esse sono le caratteristiche <strong>di</strong> uscita, chiamate anche caratteristiche<strong>di</strong> drain. Queste caratteristiche si ottengono osservando il comportamentodella corrente <strong>di</strong> drain variando linearmente la tensione applicata al<strong>di</strong>spositivo fra drain e source (Vds). Le caratteristiche <strong>di</strong> uscita o <strong>di</strong> drainsono più <strong>di</strong> una, è questo è evidente poichè vengono calcolate ognuna perun determinato valore della tensione <strong>di</strong> gate Vgs. La figura n.7 mostra unesempio <strong>di</strong> una famiglia <strong>di</strong> caratteristiche <strong>di</strong> uscita.Anche il transistore bipolare ha una famiglia <strong>di</strong> caratteristiche <strong>di</strong> uscitaquin<strong>di</strong> similmente <strong>ad</strong> esso, noi possiamo realizzare con il transistore FET tuttiquei circuiti elettronici che utilizzavano precedentemente il transistorebipolare.
Per ottenere un semplicest<strong>ad</strong>io amplificatore èsufficiente inserire unaresistenza nel circuito <strong>di</strong>uscita <strong>di</strong> appropiatovalore chiamataresistenza <strong>di</strong> carico. Inquesto modo le variazioni<strong>di</strong> corrente <strong>di</strong> drainprodotte dalla variazionidel segnale Vg applicatoin gate si trasformano invariazioni <strong>di</strong> tensioni.Queste variazioni <strong>di</strong> tensione le possiamo raccogliere inserendo uncondensatore <strong>di</strong> <strong>di</strong>saccoppiamento sul drain. La figura 8, mostra appunto uncircuito che utilizza un transistore FET in una configurazione chiamata asource comune. La resistenza Rd è la resistenza <strong>di</strong> carico, il condensatoreC2 è utilizzato per <strong>di</strong>saccoppiare ilsegnale e mandarlo a un piccoloaltoparlante.Il condensatore C1 ha lafunzione <strong>di</strong> <strong>di</strong>saccoppiare uneventuale trasduttore microfonico<strong>di</strong> ingresso. Il resistore Rse il resistore Rg sono utilizzatiper polarizzare in modoautomatico il gate del FET, più ilvalore <strong>di</strong> Rs è grande e piùelevata e la tensione negativaapplicata al gate. Il resistore Rgha tipicamente un valore moltoelevato per non degr<strong>ad</strong>arel'impedenza d'ingresso dellost<strong>ad</strong>io. Per evitare che il resistore Rs influenzi il valore complessivo delleresistenze inserite nel circuito <strong>di</strong> uscita, il condensatore C3 viene inserito inparallelo a Rs in modo da cortocircuitare questa resistenza per quantoriguarda il segnale.Tuttavia il circuito presentato, non è il solo schema possibile chepossiamo realizzare con un transistore FET, per quanto riguarda uno st<strong>ad</strong>ioamplificatore, esistono in totale tre tipi <strong>di</strong> semplici connessioni che utilizzanoun FET.
A parte quest'ultimo circuito che come abbiamo detto è chiamato a sourcecomune, esiste: il circuito a drain comune e il circuito a gate comune.Il circuito a drain comuneillustrato nella figura n.9 ha comepeculiarità il punto <strong>di</strong> connessione delsegnale <strong>di</strong> uscita ricavato sullaresistenza Rs proprio sul terminale <strong>di</strong>source. Questo tipo <strong>di</strong> circuitopresenta una maggiore impedenza <strong>di</strong>ingresso rispetto a quello a sourcecomune, un'amplificazione <strong>di</strong>tensione unitaria, un'impedenza <strong>di</strong>uscita bassa e una buonaamplificazione <strong>di</strong> corrente. Mentre ilcircuito precedente a source comune,inverte la fase del segnale amplificato<strong>di</strong> 180°, questo circuito non mo<strong>di</strong>ficala fase del segnale.La resistenza Rd è ovviamente omessa per garantire il criterio <strong>di</strong> terminalecomune <strong>di</strong> drain. Per ragioni che riguardano il circuito equivalente infrequenza del <strong>di</strong>spositivo, (tematiche tra l'altro affrontate ampiamente neiprogrammi <strong>di</strong>dattici <strong>di</strong> alcune scuole tecniche) il terminale comune puòessere connesso in<strong>di</strong>stintamente sia sul positivo dell'alimentazione che sulnegativo.Il circuito a gate comune èinvece illustrato nella figura n.10.La <strong>di</strong>sposizione circuitale del FETprevede un collegamento con ilgate a massa. In questo caso ilsegnale <strong>di</strong> ingresso è applicatotramite il condensatore <strong>di</strong>accoppiamento C1 <strong>di</strong>rettamentesul terminale <strong>di</strong> source. con quest<strong>ad</strong>isposizione ovviamente la fasedel segnale in uscita non saràmo<strong>di</strong>ficata. Il circuito presentaun'impedenza <strong>di</strong> ingresso bassa eun'impedenza <strong>di</strong> uscita più alta <strong>di</strong>quella del circuito a sourcecomune. Il FET a gate comune viene normalmente utilizzato in circuiti piùcomplessi chiamati CASCODE che lavorano a frequenze molto elevate.
Come è facile notare dalla descrizione che abbiamo fatto, lo st<strong>ad</strong>ioamplificatore a source comune ha caratteristiche interme<strong>di</strong>e fra queIIepossedute da i due ultimi circuiti. La tabella n.1 mostra in sintesi le principali<strong>di</strong>fferenziazioni delle varie inserzioni circuitali.La tabella è stata realizzata prendendo come riferimento la connessione asource comune.CIRCUITI BASE DEL FETImpedenza impedenza amplificazione amplificazione<strong>di</strong> ingresso <strong>di</strong> uscita <strong>di</strong> tensione <strong>di</strong> correntesource me<strong>di</strong>a me<strong>di</strong>a alta me<strong>di</strong>acomunedrain comune alta bassa unitaria altagate comune bassa alta come per ilsource comuneunitariatab. n.1I vantaggi presentati dall'impiego del transistore FET sono numerosi. Iltransistore bipolare (bjt) presenta indubbiamente un' impedenza <strong>di</strong> ingressomolto più bassa <strong>di</strong> quella dei FET e questa caratteristica in elettronica èmolto richiesta se <strong>ad</strong>operiamo il componente come st<strong>ad</strong>io <strong>di</strong> ingresso <strong>di</strong> un<strong>di</strong>spositivo. Alcuni circuiti con il FET sono leggermente più semplici graziealle sue peculiarità. Il rumore elettronico prodotto da questo <strong>di</strong>spositivo è piùbasso <strong>di</strong> quello prodotto dai <strong>transistori</strong> bjt. Inoltre per un certo tratto iniziale lesue caratteristiche <strong>di</strong> drain mostrano una certa linearità. Quest'ultima ragioneli fa preferire rispetto ai <strong>transistori</strong> bipolari, in quanto si possono realizzarecon essi interessanti circuiti a resistività controllata per mezzo <strong>di</strong> unatensione applicata all'ingresso.Questo nostro articolo, realizzato su base prevalentemente introduttivasull'argomento vuole essere uno stimolo per i lettori che ci seguono suquesto sito e anche, perchè no, per tutti quegli insegnanti o professionisti checi stanno vicini.Vincenzo Iorio