Transistori effetto campo

1) Confronto tra FET e BJT :

Vantaggi

a)       impedenza di ingresso molto elevata ( @ 10¹⁰W )

b)       ridotte dimensioni

c)       immunità al rumore

d)       è unipolare

Svantaggi

il prodotto Banda*Guadagno è inferiore quindi in alta frequenza è preferibile un BJT .

 

2) Principio di funzionamento del FET :

Si ha una barra di semiconduttore drogato n , se sul gate costituito da un semiconduttore drogato p molto intensamente, applichiamo una tensione negativa, si ha che la giunzione pn è polarizzata inversamente e quindi si avrà una regione di svuotamento che, essendo il canale meno drogato, si estenderà prevalentemente in esso determinando un impedimento al flusso di corrente, se fissiamo V_GS  e applichiamo una tensione V_DS abbiamo che essa varia linearmente dal valore massimo che ha sul source al valore minimo che ha sul drain. In un punto qualsiasi avremo che la tensione è la somma delle due tensioni, se questa risultante è tale da polarizzare inversamente in maniera intensa la giunzione pn, si ha lo strozzamento e quindi non scorre alcuna corrente I_D ma questo non si verifica mai in quanto se I_D = 0 allora non c´è caduta di potenziale all´interno del canale e quindi non ci può essere lo strozzamento oppure se I_D¹0 si deve avere che nel punto in cui il canale si è interrotto la densità di corrente deve andare ad infinito ma ciò non è realistico.

 

3) Caratteristica di uscita per la configurazione a source comune :

Esprime la I_D in funzione della V_DS avendo come parametro la V_GS, si distinguono le tre seguenti regioni :

Regione Ohmmica

È la zona per la quale la V_DS è minore della V_P che teoricamente annulla la larghezza del canale, quest'ultimo può considerarsi ad ampiezza costante 2b(V_GS) dipendente quindi dalla V_GS applicata, il FET si comporta quindi come una conduttanza controllata dalla V_GS di valore  .

Regione di corrente costante o di saturazione

Quando la V_DS raggiunge V_P , la larghezza del canale diviene minima e di valore d vicino al source, al crescere della V_DS l'ampiezza del canale tende ad essere costante lungo lo stesso come pure la corrente I_D che scorre in esso, la caratteristica è quindi orizzontale ed al crescere della polarizzazione inversa V_GS il pinch-off si manifesta già per V_DS inferiori e quindi si ha una minore I_D . L'espressione della corrente in questa regione è   dove I_DSS è il valore della I_D per V_GS = 0  , da essa si può notare che il fet si interdice quando si pone V_GS = V_P .

Regione di breakdown

Al crescere della V_DS oltre la zona a corrente costante, si verifica l'effetto valanga e si ha un brusco aumento della I_D a tensione pressochè costante, naturalmente al crescere della polarizzazione inversa V_GS il breakdown si raggiunge per V_DS inferiori in quanto le due cause si sommano.

 

4) Polarizzazione del FET :

FET a canale “n”

Il circuito per la polarizzazione automatica è costituito dalle resistenze R_D (connessa a V_DD),  R_S (connessa a massa) ed R_G posta tra gate e massa dato che I_G » 0 ed I_S coincide con I_D si ha V_GS = -I_DR_S ossia una retta di polarizzazione che nel piano della transcaratteristica passa per l´origine , tuttavia a causa della elevata dispersione dei parametri del FET spesso viene fornita una transcaratteristica relativa alla tensione di pinch off minima ed una relativa alla tensione di pinch off massima ed al fine di ridurre le variazioni della I_D viene posto un generatore V_GG in serie alla resistenza R_G , tuttavia utilizzando un partitore resistivo R₁ , R₂ si può fare a meno di questo secondo generatore. 

FET ad arricchimento

In questo caso occorre una V_GS positiva pertanto si inserisce una R_G tra drain e gate, nel qual caso si ha V_GS=V_DS tuttavia se condizioni operative richiedono V_GS ¹ V_DS si può connettere una resistenza R₁ tra gate e source, in entrambe i casi il FET risulta stabilizzato termicamente tuttavia per effetto Miller, si abbassa la resistenza d´ingresso.

5) Modello del FET per piccoli segnali :

La i_D risulta essere funzione sia della V_GS che della V_DS pertanto considerando uno sviluppo in serie di Taylor arrestato al 1° ordine si ha  da cui si può ricavare il modello del FET per piccoli segnali in bassa frequenza costituito da una resistenza r_d posta tra drain e source ed in parallelo ad un generatore di corrente di valore g_mV_GS. Il modello in alta frequenza si ottiene dal precedente aggiungendo una capacità tra ogni coppia di morsetti del FET, in particolare C_gs e C_gd  sono relative alle giunzioni e sono comprese tra 1pF  e 10pF mentre C_gd è la capacità del canale ed è compresa tra 100nF ed 1pF .

Ricordando le convenzioni per passare da un generatore di corrente reale ad un generatore di tensione reale si può ottenere il circuito equivalente serie per piccoli segnali il quale è quindi costituito da un generatore di tensione avente il meno verso il drain e di valore   posto in serie ad una resistenza di valore r_d .

 

6) Transconduttanza :

          essendo              

essa vale circa 20mA per ogni volt di variazione della V_GS .

 

7) Fattore di amplificazione m :

si ottiene semplicemente ponendo

 

8) Amplificatore a FET generalizzato :

Sul gate si ha un generatore v_i , sul drain una resistenza R_d  un generatore v_a e viene prelevata l´uscita v_o1  infine sul source si ha una resistenza R_S  un generatore v_s e viene prelevata l´uscita v_o2 . Da questa configurazione disattivando gli opportuni generatori, eliminando le opportune resistenze e sostituendo il circuito equivalente del FET per piccoli segnali si ottengono le risposte per le possibili configurazioni. Si osservi che essendoci tra il gate ed il canale una giunzione polarizzata inversamente nel caso del FET o un ossido nel caso del MOSFET, si ha in ogni caso una resistenza molto alta e quindi è inutile metterle in serie la resistenza interna del generatore v_i che è solitamente molto bassa.

 

9) Configurazione a source comune :

Si ha il source a massa ed il segnale d´ingresso sul gate, il segnale d´uscita viene prelevato sul drain, la amplificazione in tensione e la R_out si ottengono sostituendo al FET il circuito equivalente serie per piccoli segnali , si ha     e   .

 

10) Configurazione a gate comune :

Si ha il gate a massa ed il segnale d´ingresso applicato sul source mentre l´uscita v₀₁ viene prelevata sul drain, per il calcolo della A_v occorre sostituire nello schema il circuito equivalente serie del FET ed utilizzare la relazione   da cui moltiplicando per m si ottiene   quindi il generatore di tensione può essere sostituito da un generatore di tensione di valore mV_s con in serie una resistenza di valore mR_s , unificando i generatori di tensione e le resistenza si ottiene   , infine dividendo tutti i termini per  si ottiene il valore della resistenza d´ingresso . Si osservi che il gate non assorbe corrente e quindi la corrente d´ingresso sul source è uguale alla corrente d´uscita sul drain qundi non ci interessa il guadagno in corrente.

 

11) Configurazione a drain comune :

Si ha il drain collegato direttamente alla alimentazione senza la resistenza, il segnale d´ingresso sul gate ed il segnale d´uscita V₀₂ prelevato sul source, sostituendo il circuito equivalente per piccoli segnali e ragionando così come per la configurazione a gate comune si ottiene      ed  . Si osservi che essendo nulla la corrente d´ingresso si ha  ed  .

 

12) Split loaded amplifier :

Si ha il segnale d´ingresso sul gate e l´uscita viene presa sia sul drain che sul source, se le due resistenze sono uguali i due segnali che si prelevano sono uguali in modulo ma in opposizione di fase, tuttavia la resistenza d´uscita sul source è bassa mentre la resistenza d´uscita sul drain è alta pertanto entrambe le uscite debbono essere seguite da un collettore comune che funge da buffer. L´analisi si svolge ricavando A_v ed R_out  sia nel caso l´uscita sia presa sul drain che nel caso sia presa sul source.

 

13) VVR :

Acronimo di Voltage Variable Resistor, si tratta di un FET nella regione lineare, del quale si può variare la resistenza cambiando la tensione applicata sul gate.

 

14) Circuito AGC :

Si ha un transistore npn polarizzato automaticamente mediante R₁ ed R₂ , l´ingresso è applicato sulla base tramite un condensatore di blocco mentre l´uscita è prelevata sul collettore, bufferizzata quindi rettificata e filtrata in modo da ottenere una tensione che agendo sul gate di un FET ne varia la conduttanza .

Ricordando che la amplificazione di tensione A_V di un emettitore comune con resistenza sull´emettitore è   si ha   che risulta funzione della tensione d´uscita e pertanto si ha un controllo automatico del guadagno che viene utilizzato al fine di avere un livello d´uscita costante anche in presenza di un livello variabile del segnale d´ingresso.

MOSFET

15) Principio di funzionamento dei MOSFET :

Le tipologie di MOSFET sono le seguenti :

MOSFET ad arricchimento

Si ha un substrato di tipo n^- nel quale sono affogati i pozzetti drogati p⁺ connessi ai morsetti del drain e del source, tra il morsetto di gate ed il substrato è presente uno strato di ossido che in sostanza determina una capacità, applicando una tensione negativa sul gate, si ha che sulla altra piastra del condensatore, quella che coincide con il substrato, verranno richiamati dal substrato stesso dei portatori positivi, il cui numero aumenta al crescere della tensione negativa applicata al gate, in definitiva quindi si crea un canale che congiunge il drain ed il source nel quale i portatori sono le lacune questo canale viene chiamato "zona di inversione". Si ha che se   si è in zona ohmmica per cui la I_D aumenta al crescere della V_DS mentre se   il canale non si forma e nel dispositivo scorre una corrente . Il MOSFET ad arricchimento a canale "p" è più lento e presenta una maggiore resistenza rispetto al canale "n" in quanto nello strato di ossido sono presenti degli ioni mobili positivi, che nel tipo a canale "n" sono respinti verso il substrato alterandone la risposta allorchè si polarizza il gate con una tensione positiva per creare il canale mentre nel tipo a canale "p" per creare il canale è richiesta sul gate una tensione negativa che attrae gli ioni mobili positivi verso il metallo dove essi non presentano effetti deleteri.

MOSFET a svuotamento

Si ha un substrato di tipo p nel quale sono affogati i pozzetti drogati n⁺ connessi ai morsetti del drain e del source, questi sono collegati tramite un canale di tipo n, tra il morsetto di gate ed il substrato è presente uno strato di ossido che in sostanza determina una capacità, applicando una tensione nulla sul gate, si ha che nel canale può scorrere regolarmente corrente in funzione della V_DS applicata, applicando invece sul gate una tensione negativa, si ha che sulla altra piastra del condensatore, quella che coincide con il canale, verranno richiamati dei portatori positivi minoritari i quali riducono la conduttanza del canale , naturalmente anche applicando una tensione positiva si richiamano altri elettroni nel canale e quindi il MOSFET lavora ad arricchimento.

Si può ridurre il valore della tensione V_T ottimizzando interfacciamento, dissipazione, alimentazione e velocità nei seguenti modi :

a)       utilizzare un cristallo di Silicio con orientamento <100> invece che <111>

b)       aggiungere al SiO₂ del SiN₄ in modo da raddoppiare la costante dielettrica

c)       invece dell'elettrodo di gate metallico utilizzare silicio drogato con boro.

 

16) Invertitore a  MOSFET :

Nella versione più semplice si ha un MOSFET pilotato sul gate alimentato tramite una resistenza sul drain e con il source a massa, nei circuiti digitali però la resistenza deve essere sostituita da un MOSFET, si hanno i seguenti possibili schemi :

Invertitore a MOSFET con carico saturato

Cortocircuitando il gate ed il drain del FET di carico la sua retta di carico è la parabola che unisce i punti V_GS = V_DS , se la ribaltiamo, trasliamo e riportiamo sulla caratteristica d'uscita del pilota, essa ne diviene la retta di carico, da questa rappresentazione si può estrarre la caratteristica di trasferimento che evidenzia come la tensione d'uscita sia inferiore rispetto alla tensione di alimentazione di una quantità pari alla V_THRESHOLD del fet di carico inoltre la tensione d'uscita non è nulla in presenza della massima tensione d'ingresso bensì vale V_ON, tale tensione si può ridurre utilizzando un transistor di carico molto più piccolo rispetto al pilota, in ogni caso però lo swing della tensione d'uscita è ridotto rispetto allo swing della tensione d'ingresso, per risolvere il problema si utilizzano le seguenti soluzioni circuitali :

Invertitore a MOSFET con carico non saturato

Tramite una batteria si polarizza il MOSFET di carico in modo da farlo lavorare nella regione ohmmica, la retta di carico è pertanto lineare e consente di avere per la tensione d'uscita uno swing massimo, il difetto di questa configurazione è di richiedere una seconda batteria.

Invertitore MOSFET enhancement con carico di tipo Depletion

Utilizzando come carico un MOSFET depletion si può evitare l'utilizzo della 2ª batteria in quanto il canale è formato e quindi si ha conduzione anche per V_GS=0 se il pilota è di tipo enhancement ed è molto più grande del mosfet di carico si ottiene uno swing massimo della tensione d'uscita. Il difetto di questa configurazione è che è complicato realizzare molto vicini un MOSFET depletion ed un enhancement.