Transistor JFET

I Transistor ad effetto campo (FET – Field Effect Transistor) sono dispositivi a semiconduttore comandati in tensione a differenza dei transistor tradizionali (BJT: bipolar junction transistor) che invece sono comandati in corrente.
Il transistor ad effetto campo differisce dal transistor bipolare a giunzione per alcune importanti caratteristiche:
1) Il suo funzionamento dipende dal flusso dei soli portatori maggioritari, per questo è definito come un dispositivo unipolare (portatori di un solo tipo).
2) E’ più semplice da realizzare in forma integrata ; occupa spazi minori.
3) Presenta una elevata impedenza di ingresso dell’ordine dei megaohm.
4) E’ caratterizzato da un rumore termico molto basso
5) Funziona molto meglio come dispositivo interruttore

Il principale svantaggio dei FET rispetto ai BJT è quello di avere un GBWP (prodotto del guadagno per larghezza di banda) inferiore .

Si distinguono due tipi di FET : quello a giunzione o JFET (junction FET) e i MOSFET (metal-oxide-semiconductor) più brevemente MOS.
Assieme all’amplificatore operazionale (AO) e al transistor (BJT) sono considerati dei dispositivi attivi perchè in grado di amplificare un segnale elettrico, i MOS sono invece impiegati nell’elettronica di potenza come interruttori e nell’elettronica integrata perchè possono essere realizzati con dimensioni molto inferiori a quelle di un BJT.
Memorie, microprocessori, e microcontrollori per telefoni cellulari o per console di videogiochi sono realizzati con tecnologia MOS o CMOS.

I JFET

Esistono due tipi di JFET: quello a canale n e quello a canale p; hanno struttura fisica e caratteristiche elettriche del tutto analoghe, variano solo i portatori di carica elettrica, elettroni nel tipo n e lacune per il tipo p; lo schema di principio di un tipo n è disegnato qui sotto

Si usa una sbarretta di materiale semiconduttore (silicio) drogato n che reca alle due estremità i due terminali di source (S) e di drain (D) sui due altri lati vi sono due zone a drogaggio p collegate al terminale di gate (G). Si realizzano dunque, due giunzioni pn all’interno del canale.

Funzionamento

Durante il funzionamento normale le giunzioni sono polarizzate inversamente e fra source e drain transita una corrente I_D (corrente di drain) la cui intensità può essere controllata dalla tensioneV_GS fra gate e source

Se si osservano le caratteristiche di uscita, ad esempio per la curva V_GS=0 si vede che per bassi valori di V_DS questa ha un comportamento resistivo cioè aumentando V_DS aumenta proporzionalmente la corrente di drain I_D.

Durante questo comportamento di tipo lineare all’interno del canale si instaura una zona di svuotamento la cui dimensione è proporzionale alla polarizzazione inversa fra gate e source e maggiormente più estesa sul lato del terminale di drain a causa del fatto che esso è collegato al terminale positivo e in quella zona la polarizzazione inversa è più accentuata.

All’aumentare di V_DS, mantenendo sempre V_GS=0 la zona di svuotamento si estende, il canale si restringe, la I_D aumenta ancora, ma sempre più lentamente a causa della progressiva riduzione di sezione del canale (tratto più incurvato della caratteristica).

Quando la tensione la V_DS raggiunge il valore V_p: tensione di pinch-off (di strozzamento) la larghezza del canale raggiunge il suo minimo.

Anche se si aumenta V_DS la sezione del canale e la velocità delle cariche rimane costante: la corrente I_D la cui intensità dipende dalla sezione del canale, ha raggiunto la zona di saturazione; da lì in poi rimarrà costante.

Polarizzando inversamente il gate, la zona di deplezione inizia a formarsi già con V_DS=0 nella zona resistiva, la I_D aumenta in modo meno deciso di prima perchè, come si vede anche dalle curve, il canale presenta una resistenza maggiore, si vede poi che la tensione di strozzamento V_p viene raggiunta per valori di V_DS sempre più inferiori man mano che si aumenta la polarizzazione inversa di V_GS.

Se V_GS diviene tanto negativa da provocare lo strozzamento del canale già con V_DS=0 , la corrente I_D sarà nulla per qualsiasi valore di V_DS.
Questo valore di V_GS indicato con V_GS(off)coincide in valore assoluto con V_p,ma ha segno opposto.

Il funzionamento del JFET a canale p è del tutto simile a quello del canale n,solo che in questo caso, essendo i portatori di carica sostituiti dalle lacune,la corrente I_Dscorrerà dal source al drain e la tensione V_DS sarà negativa.

Per motivi costruttivi la struttura reale di un JFET è differente da quella descritta. Qui sotto è disegnata una struttura planare epitassiale che può rendere l’dea di come sia costruito un JFET.
Su un substrato di tipo p viene fatto crescere epitassialmente uno strato di tipo n,che costituisce il canale del transistor. Al suo interno per diffusione vengono successivamente ricavate la zona p⁺ di gate e due zone n⁺; di source e di drain.

Caratteristiche di uscita

Per le caratteristiche di uscita bisogna far riferimento al grafico V_DS–I_D disegnato sopra.

Zona resistiva: è caratterizzata da bassi valori di V_DS ed è delimitata dalla curva tratteggiata in corrispondenza della quale iniziava lo strozzamento del canale.

In questo zona l’ andamento delle caratteristiche è prevalentemente rettilineo;il JFET si comporta come un vero e proprio resistore la cui resistenza r_DS è controllata dalla tensione V_GS.
Viene quindi, definito un parametro: resistenza di drain nello stato ON: r_DS(on)come il rapporto fra V_DS e I_D nell’intorno dell’origine per V_GS=0.

Questo importante parametro è corrisponde all’inverso della pendenza del tratto rettilineo della caratteristica per V_GS=0.
Nei JFET commerciali r_DS(on) presenta valori che vanno da qualche unità a diverse centinaia di Ω . Come si nota dal diagramma per valori progressivanente negativi di V_GS diminuisce la pendenza del tratto resistivo delle caratteristiche e pertanto r_DS aumenta.

Zona di saturazione o a corrente costante

Viene utilizzata nell’amplificazione lineare e corrisponde alla zona in cui le caratteristiche sono all’incirca orizzontali e I_DS è sostanzialmente costante e indipendente da V_DS.
Nei data-sheets appare il valore di I_DSS cioè il valore della I_D di saturazione per V_GS=0 e in corrispondenza a un valore precisato di V_DS.
In funzionamento corretto la giunzione gate-canale non deve assolutamente entrate in conduzione; il fabbricante fornisce il valore della corrente inversa della giunzione per V_GS=0, indicandola con I_GSS (dell’ordine dei nA).

Zona di breakdown

Valori elevati della tensione inversa sulla giunzione gate-canale provocano la sua rottura per effetto valanga.
Indicando con BV_DSS la tensione di rottura per V_GS=0,si nota che il breakdown sia verifica per valori di V_DS minori,man mano che la V_GSdiviene più negativa. A parità di V_DS la tensione inversa ai capi della giunzione cresce con lo spostarsi di V_GS verso i valori negativi. BV_DSSè circa dell’ordine di qualche decina di volt.

Zona di interdizione: quando la V_GS assume valori negativi tali da strozzare il canale anche con V_DS=0 il JFET è interdetto (OFF) e la I_D è teoricamente nulla (in realtà è dell’ordine dei nA).
La V_GS che interdice il JFET è appunto la V_GS(off) o tensione di interdizione .

Transcaratteristica

Anche chiamata caratteristica di trasferimento, è la funzione I_D=f(V_GS) nella zona di saturazione in corrispondenza di un assegnato valore di V_DS.

Questa funzione viene espressa come:

JFET come interruttore

A secondo che si voglia usare un JFET a canale n o a canale p, si può far riferimento ai due schemi qui disegnati

Interdizione: se si vuole ottenere una condizione di interdizione si deve avere

qui sopra sono rappresentate le caratteristiche di uscita intersecate dalla retta di carico.

La retta di carico è la curva rappresentativa la condizione circuitale che sta al contorno del dispositivo in condizioni statiche (in continua).

In condizioni di interdizioni il punto di lavoro si trova in T con I_DS≈0 e V_DS≈V_DD.
La condizione OFF del JFET può essere rappresentata come un interruttore aperto.

Saturazione : se si pone V_GS=0 il JFET entra nella zona di massima conduzione (ON).
Il suo punto di lavoro viene individuato dal punto X, intersezione tra la retta di carico e le caratteristiche di uscita:

Se il carico R_D è sufficientemente grande da far funzionare il dispositivo nella zona resistiva il JFET si comporta come un interruttore chiuso di resistenza r_DS(on). Se la r_DS(on) non viene trovata nei fogli tecnici, si può assumere

Polarizzazione

Un altro utilizzo del JFET è quello di dispositivo amplificatore di segnale.
Come nel caso del transistor bipolare occorre polarizzarlo opportunamente ed anche in questo caso possiamo usare una rete di autopolarizzazione.
In questa rete, si pone a massa attraverso la resistenza R_G il terminale di gate, quindi sulla maglia di ingresso si usa

mentre sulla maglia di uscita si ha

In alternativa si può usare la rete di polarizzazione mista analoga alla soluzione con partitore di base nel BJT, in sostanza con un partitore di compensazione, dove sulla maglia di ingresso si ha