Cos'è un transistor MOSFET?
MOSFET, abbreviazione di Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, è un componente elettronico comunemente utilizzato nei circuiti elettronici come interruttore o amplificatore per controllare il flusso di alta tensione e alta corrente. È un tipo di transistor costituito da un gate metallico, uno strato di ossido e un canale semiconduttore.
Chi ha inventato il transistor MOSFET?
Nel 1959, D. Kahng e Martin Atalla dei Bell Labs hanno rivoluzionato il mondo dell’elettronica con la loro invenzione del transistor MOSFET. Questa rivoluzionaria invenzione ha reso possibile la miniaturizzazione dei componenti elettronici, aprendo la strada al circuito integrato e al computer moderno. Mentre l’invenzione stessa è stata rivoluzionaria, anche il processo della sua invenzione è stato affascinante.
Kahng e Atalla iniziarono la loro ricerca sul MOSFET studiando prima le proprietà delle strutture metallo-ossido-semiconduttore (MOS). Utilizzando una tecnica chiamata deposizione chimica da vapore (CVD), furono in grado di depositare un sottile strato di biossido di silicio su un substrato di silicio. Questo strato di biossido di silicio fungeva da isolante tra i due strati conduttivi della struttura MOS.
Il passo successivo nel processo è stato quello di realizzare il MOSFET. Introducendo un drogante nello strato isolante, Kahng e Atalla sono stati in grado di creare un canale tra i due strati conduttivi. Questo canale è stato quindi collegato a un gate, che ha permesso all’elettricità di fluire attraverso il MOSFET quando attivato. Questo ha reso possibile controllare il flusso di corrente attraverso il transistor con un input di tensione.
Infine, Kahng e Atalla hanno testato la loro invenzione per assicurarsi che funzionasse correttamente. Hanno scoperto che il MOSFET era in grado di commutare rapidamente la corrente on e off, il che lo rendeva ideale per l’uso in computer e altri dispositivi elettronici. Grazie alla loro ricerca e al loro duro lavoro, il transistor MOSFET è diventato una parte integrante dell’elettronica moderna.
Struttura MOSFET
Un transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) è costituito da un gate metallico, uno strato di ossido e un semiconduttore, con lo strato di ossido tipicamente realizzato in biossido di silicio. Il materiale del gate è solitamente sostituito da silicio policristallino invece del metallo. La struttura forma un condensatore, con lo strato di ossido che funge da dielettrico e la capacità determinata dallo spessore dello strato di ossido e dalla costante dielettrica del biossido di silicio. Il gate in silicio policristallino e il semiconduttore di silicio formano i due terminali del condensatore MOS. Oltre alla struttura del condensatore, una struttura MOSFET completa include una sorgente e un drain per fornire portatori di maggioranza e accettarli, rispettivamente.
Simbolo del circuito MOSFET
Il simbolo del circuito per il transistor MOSFET comunemente utilizzato nei circuiti elettronici è costituito da una linea verticale che rappresenta il canale, due linee parallele accanto al canale che rappresentano la sorgente e il drain e una linea perpendicolare a sinistra che rappresenta il gate. La linea del canale può anche essere rappresentata da una linea tratteggiata per differenziare tra MOSFET a canale potenziato e a canale impoverito.
I transistor MOSFET sono dispositivi a quattro terminali, costituiti dai terminali di sorgente, drain, gate e bulk o corpo. La direzione della freccia che si estende dal canale al terminale bulk indica se il MOSFET è un dispositivo di tipo p o di tipo n, con la freccia che punta sempre dal lato P al lato N. Se la freccia punta dal canale al gate, rappresenta un MOSFET di tipo p o PMOS, mentre la direzione opposta rappresenta un MOSFET di tipo n o NMOS. Nei circuiti integrati, il terminale bulk è comunemente condiviso, quindi la sua polarità non è indicata, mentre un cerchio è spesso aggiunto al terminale del gate del PMOS per distinguerlo dal NMOS.
Come funziona un transistor MOSFET?
Il principio di funzionamento di base di un transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) è controllare la formazione e la conduttività di un canale applicando una tensione all’elettrodo di gate, regolando così la corrente che scorre tra gli elettrodi di drain e source. Il MOSFET è costituito da tre elettrodi: gate, source e drain. Esiste uno strato isolante di ossido tra gli elettrodi di gate e source e il canale si forma sotto questo strato sulla superficie del semiconduttore.
Quando una tensione positiva viene applicata al gate, le lacune nella superficie del semiconduttore sotto il gate vengono respinte, creando uno strato di inversione caricato negativamente. Lo strato di inversione ha una concentrazione di elettroni più elevata rispetto alla concentrazione di lacune, formando uno strato conduttivo di tipo n chiamato canale. Quando una tensione viene applicata tra il drain e il source, la corrente scorre attraverso il canale fino al drain. La conduttività e la densità di carica del canale possono essere modulate dall’ampiezza e dalla polarità della tensione di gate, consentendo al MOSFET di funzionare come un interruttore di corrente controllabile.
Tipi di MOSFET
In base alla polarità del suo canale, i transistor MOSFET possono essere divisi in: MOSFET a canale N e MOSFET a canale P. Inoltre, in base all’ampiezza della tensione di gate, può essere diviso in: a svuotamento e a potenziamento.
MOSFET a potenziamento a canale N
Un MOSFET a potenziamento a canale N è comunemente utilizzato nei circuiti elettronici per scopi di commutazione e amplificazione. È chiamato MOSFET a potenziamento perché richiede una tensione positiva al gate per accendere il canale ed è chiamato canale N perché ha un tipo di portatore negativo.
MOSFET a svuotamento a canale N
Un MOSFET a svuotamento a canale N è costituito da strati di materiali semiconduttori drogati con specifiche impurità per creare un canale che trasporta corrente. Il canale è già formato quando non viene applicata alcuna tensione al terminale del gate. Ciò significa che il MOSFET è nella sua modalità “svuotamento” quando non è alimentato. Quando una tensione viene applicata al gate, riduce la regione di svuotamento, consentendo alla corrente di fluire attraverso il canale.
MOSFET a potenziamento a canale P
Un MOSFET a potenziamento a canale P è un tipo di MOSFET che utilizza un substrato a canale P per consentire il flusso di elettroni tra i terminali di source e drain. Quando una tensione viene applicata al terminale del gate di un MOSFET a potenziamento a canale P, crea un campo elettrico che attrae lacune cariche positivamente (a differenza degli elettroni carichi negativamente in un MOSFET a canale N) al canale, consentendo alla corrente di fluire tra i terminali di source e drain.
MOSFET a svuotamento a canale P
Un MOSFET a svuotamento a canale P funziona controllando il flusso di portatori di carica negativi (elettroni) in un canale semiconduttore. A differenza dei MOSFET a canale N, che sono costruiti con un gate caricato positivamente che attrae portatori di carica negativi, i MOSFET a canale P sono costruiti con un gate caricato negativamente che respinge i portatori di carica positivi (lacune). In un MOSFET a svuotamento, il canale semiconduttore è drogato con impurità che creano una regione di svuotamento, che funge da barriera resistiva al flusso di corrente. Applicando una tensione al gate, la regione di svuotamento può essere allargata o ristretta, controllando il flusso di corrente attraverso il canale.
Dove viene utilizzato il MOSFET?
I dispositivi a semiconduttore noti come transistor MOSFET sono ampiamente utilizzati in sistemi automobilistici, industriali e di comunicazione. Nel campo dell’elettronica automobilistica, i transistor MOSFET di potenza fungono da comuni dispositivi di commutazione nelle unità di controllo elettronico e nei convertitori di potenza per i moderni veicoli elettrici. Inoltre, i transistor MOSFET possono essere utilizzati anche come interruttori o amplificatori in varie applicazioni, come alimentatori, controlli motore, regolatori di tensione, microcontrollori, circuiti logici digitali e amplificatori audio.
In particolare, i transistor MOSFET possono essere utilizzati negli alimentatori di computer e televisori per convertire l’alimentazione CA ad alta tensione in alimentazione CC a bassa tensione; nei circuiti di controllo motore per regolare la velocità dei motori; negli amplificatori audio per amplificare i segnali di basso livello in segnali di alto livello; e negli inverter solari, sono spesso utilizzati per convertire l’energia CC generata dai pannelli solari in energia CA per uso residenziale e commerciale.
Negli ultimi anni, con il miglioramento delle prestazioni dei transistor MOSFET, sempre più circuiti integrati per l’elaborazione di segnali analogici stanno adottando anche transistor MOSFET, oltre al campo dell’elaborazione di segnali digitali (come microprocessori e microcontrollori). Nei circuiti digitali, i transistor MOSFET sono utilizzati principalmente nell’invenzione di circuiti logici a ossido metallico complementare, che hanno quasi nessuna perdita di potenza statica e possono risparmiare corrente e consumo energetico. Nei circuiti logici CMOS, ogni driver di gate logico e ogni stadio di gate logici deve affrontare lo stesso gate del transistor MOSFET, rendendoli più facili da pilotare. Nei circuiti analogici, alcuni parametri di prestazione dei transistor MOSFET nella progettazione del circuito sono stati notevolmente migliorati, come la transconduttanza, la forza di pilotaggio della corrente e il rumore. Pertanto, i transistor MOSFET sono ora ampiamente utilizzati in circuiti analogici, come amplificatori, filtri, oscillatori, amplificatori di potenza e alimentatori a commutazione.
MOSFET contro BJT
Ci sono molte differenze tra il transistor MOSFET e il transistor BJT, ecco una tabella di confronto per loro.
| No. | Characteristics | BJT | MOSFET |
|---|---|---|---|
| 1 | Transistor Type | Bipolar Junction Transistor | Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor |
| 2 | Classification | NPN BJT and PNP BJT | P-channel MOSFET and N-channel MOSFET |
| 3 | Port | Base, Emitter, Collector | Gate, Source, Drain |
| 4 | Symbol |  |  |
| 5 | Charge Carrier | Both electrons and holes serve as charge carriers in BJT | Either electrons or holes serve as charge carriers in MOSFET |
| 6 | Control Mode | current-controlled | oltage-controlled |
| 7 | Input Current | milliamps/microamps | picoamps |
| 8 | Switching Speed | BJT is lower: maximum switching speed is close to 100KHz | MOSFET is higher: maximum switching frequency is 300KHz |
| 9 | Input Impedance | low | high |
| 10 | Output Impedance | low | medium |
| 11 | Temperature Coefficient | BJT has a negative temperature coefficient and cannot be connected in parallel | MOSFET has a positive temperature coefficient and can be connected in parallel |
| 12 | Power Consumption | high | low |
| 13 | Frequency Response | poor | good |
| 14 | Current Gain | BJT has low and unstable current gain: the gain can decrease once the collector current increases. If the temperature increases, the gain can also increase | MOSFET has high current gain and is almost stable for changing drain current |
| 15 | Secondary breakdown | BJT has a second breakdown limit | MOSFET has a safe operating area similar to BJT but does not have a second breakdown limit |
| 16 | Static Electricity | Static discharge is not a problem in BJT | Static discharge can be a problem in MOSFET and can lead to other issues |
| 17 | Cost | cheaper | more expensive |
| 18 | Application | low-current applications such as amplifiers, oscillators, and constant current circuits | high-current applications such as power supplies and low-voltage high-frequency applications |
