Cos'è un transistor ad effetto di campo (FET)

Questo articolo discuterà uno dei due principali tipi di transistor a semiconduttore, il transistor ad effetto di campo o FET. L'altro tipo è il transistor a giunzione bipolare o BJT.
I dispositivi attivi, tubi a vuoto e transistor cambieranno come fanno passare la corrente a seconda di come il dispositivo attivo è polarizzato. Per diodi semplici, composti da un anodo e un catodo, (stesso per diodi a tubo a vuoto e semiconduttore), un dispositivo polarizzato in avanti ha una tensione negativa applicata al catodo e una positiva sull'anodo e farà passare corrente con solo una piccola caduta di tensione su se stesso. Un diodo polarizzato inversamente ha tensione negativa sull'anodo, tensione positiva sul catodo e bloccherà il flusso di corrente come se fosse un interruttore controllato da polarizzazione.
I dispositivi attivi più complessi, triodi a tubo a vuoto (anodo, catodo, griglia) pentodi (anodo, catodo e tre strati griglia) e così via, e transistor a semiconduttore agiranno generalmente come diodi quando polarizzati inversamente. Quando polarizzati in avanti, condurranno corrente, ma la quantità di corrente può essere modificata da tensione griglia (tubo a vuoto) o correnti di controllo (corrente base per BJT e correnti gate per FET). Questo effetto permette a piccoli segnali applicati al segmento di controllo di un tubo a vuoto o transistor di essere amplificati.
La discussione della reale fabbricazione di questi dispositivi sarà lasciata per un altro articolo. Qui guarderemo i tipi generali di FET e come contrastano tra loro, altri tipi di semiconduttori e tubi a vuoto.

Storia e funzionamento

La teoria per la creazione del transistor ad effetto di campo (FET) precede quella per il transistor a giunzione bipolare (BJT), ma la tecnologia per creare il FET venne dopo il BJT. I primi brevetti teoria FET furono emessi nel 1925 e 1934, ma la fabbricazione pratica degli FET iniziò nei primi anni '60.
In essenza il FET opera in stato solido per controllare la corrente in molto il modo in cui operano i tubi a vuoto.
Il flusso di corrente dal catodo all'anodo può essere controllato applicando una tensione di polarizzazione al gate (o griglia). La costruzione a semiconduttore fornisce "punti di strozzatura" nel percorso di corrente dove campi carichi possono restringere il flusso di corrente in molto lo stesso modo in cui strati griglia carichi nei tubi a vuoto funzionano per triodi o possono aumentare il flusso di corrente a seconda del substrato usato e della modalità. I progettisti abituati a lavorare con tubi a vuoto trovarono gli FET più facili da usare dei BJT.

Classificazioni degli FET

Le due classificazioni più ampie per gli FET sono il tipo di canale e la modalità. Il tipo di canale è determinato dal drogaggio del canale principale per il flusso di corrente. I tipi N-canale hanno un canale drogato negativamente e i P-canale usano drogaggio positivo.
Le modalità sono modalità Enhancement dove il canale è spento (non c'è flusso di corrente) quando una polarizzazione zero volt è applicata al gate e modalità Depletion, dove il canale è acceso (corrente fluisce) con una polarizzazione zero.
Per entrambe le modalità, una maggiore tensione di polarizzazione del gate consegnerà più corrente attraverso un dispositivo N-canale e meno corrente attraverso un dispositivo P-canale.

Tipi di fabbricazione degli FET

I primi FET erano FET a giunzione o JFET e furono costruiti in molto lo stesso modo dei BJT. Un sottoinsieme di JFET usò una giunzione Schottky (per dare una transizione più netta da Spento a Accesso) al posto della giunzione PN (il punto di transizione fisico tra materiale semiconduttore drogato positivo e negativo) e sono noti come MEtal-semiconductor FET o MESFET.
Il prossimo tipo di costruzione fu il FET a gate isolato o IGFET, dove il gate fu costruito con uno strato isolante misurato in micron o meno alla giunzione PN. Gli IGFET più comuni sono il Metal-Oxide o MOSFET e il Complementary MOSFET o CMOS. MOS e CMOS sono il tipo più comune di FET in uso oggi.
Altri FET speciali sono visti come l'HFET, per applicazioni ad alta velocità.

Parti del FET

Nel FET la Source è analoga all'emettitore BJT e al catodo del tubo a vuoto. Il Gate FET è analogo alla base BJT e alla griglia del tubo a vuoto. Il Drain FET è analogo al collettore BJT e all'anodo del tubo a vuoto. Il Substrate FET è anche mostrato nella maggior parte degli schemi elettronici standard.

Materiali substrato

Il materiale substrato più comune usato per fare FET rimane il Silicio puro (Si). È relativamente economico, durevole e facile da lavorare. La maggior parte dei dispositivi digitali sono fatti usando transistor FET su silicio.
Sono usate anche leghe come Arseniuro di Gallio (GaAs) e Germanio-Silicio (SiGe). Ognuna offre una velocità di commutazione più veloce del Si puro, ma a maggior costo materiale. GaAs offre anche proprietà speciali come una durezza naturale alle radiazioni che con Si richiede un rivestimento diamante per eguagliare, così come essere invisibile alle frequenze IR.
Altri materiali e leghe come Fosfuro di Indio (InP) e zaffiro sono usati in situazioni di laboratorio.

Vantaggi e svantaggi degli FET rispetto a BJT e tubi a vuoto

Rispetto ai BJT, gli FET hanno velocità di commutazione più veloci (tempo commutazione On-Off) e generano meno calore per commutazione del BJT. Gli FET possono essere progettati a geometrie più piccole dei BJT, permettendo un maggior numero di transistor individuali per micron quadrato di spazio semiconduttore. Tuttavia, gli FET, particolarmente i primi MOSFET, sono più soggetti a danni da Scarica Elettrostatica (ESD) dei dispositivi BJT.
Rispetto ai tubi a vuoto, gli FET sono ordini di grandezza più piccoli, più efficienti energeticamente ed economicamente. Non richiedono riscaldatore catodo.
I tubi a vuoto sono quasi immuni a ESD (e impulsi elettromagnetici come effetto collaterale di detonazioni nucleari) e sono più efficaci ad alta potenza (kV e oltre) particolarmente ad alte frequenze come in trasmettitori radio e televisivi.