MOSFET: differenze tra le versioni

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[[File:D2PAK.JPG|thumb|upright=1.0|Due MOSFET di potenza]]

In [[informatica]] ed [[elettronica]] un '''MOSFET''' (o '''MOS-FET''' oppure '''MOS FET''', [[acronimo]] dell'[[Lingua inglese{{Inglese|inglese]] ''Metalmetal-Oxideoxide-Semiconductorsemiconductor Fieldfield-Effecteffect Transistor'', {{Letttransistor|transistor a effetto di campo metallo-ossido- semiconduttore}}, e spesso conosciuto come '''transistore MOS''') è un tipo di [[transistor a effetto di campo]] largamente usato nel campo dell'[[elettronica digitale]], ma diffusadiffuso anche nell'[[elettronica analogica]]. Indicato anche come '''IGFET''' (''Insulated{{Inglese|insulated-Gategate Fieldfield-Effecteffect Transistor'', {{Letttransistor|transistor a effetto di campo a "gate" isolato}}).<ref>{{Cita|Sedra-Smith, 2004|p. 356}}.</ref>

Il principio di funzionamento del transistor ad effetto di campo è stato ideato da [[Julius Edgar Lilienfeld|Lilienfeld]] nel [[1925]], mentre il primo MOSFET fu realizzato da [[Dawon Kahng|Kahng]] e [[Martin Atalla|Atalla]] nel [[1959]] presso i [[Bell Laboratories]].<ref>{{cita web|url=http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-MOS.html|titolo=Computer History - 1960 - Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated|accesso=4 dicembre 2010}}</ref>

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All'aumentare della tensione <math>V_{DS}</math> tra drain e source, la differenza di potenziale <math>V_{GD} = V_{GS} - V_{DS}</math> fra il gate e la regione del canale vicina al ''drain'' diminuisce, ed il canale viene progressivamente strozzato in prossimità di esso. Tale fenomeno è detto ''[[effetto di modulazione della lunghezza di canale|pinch-off]]'', simile all'[[effetto Early]] nel [[Transistor a giunzione bipolare|transistore bipolare]]. La strozzatura si verifica nel punto di ascissa <math>L'</math>, pari alla lunghezza del canale, in cui il potenziale è pari a <math>V_{GS} - V_{th}</math>.<ref name=seiuno>{{Cita|Spirito|Pag. 61|Spirito}}.</ref> La carica di inversione, dunque, diminuisce all'avvicinarsi al terminale di ''drain'', e questo implica che una volta raggiunto il completo strozzamento il valore della corrente <math>I_{D}</math> che percorre il canale non dipende dalla variazione di <math>V_{DS}</math>, dal momento che la tensione ai capi del canale ohmico rimane costante.

Le cariche attraversano quindi la regione svuotata <math>(L - L')W</math> (<math>W</math> è la larghezza della regione, quindi <math>(L - L')W</math> è praticamente la superficie sotto l'ossido) sostenute dal campo elettrico, sicché la corrente dipende solamente e '''quadraticamente''' dalla tensione <math>V_{GS}</math>, ed il MOSFET funziona come un [[amplificatore (elettronica)|transresistore]]<ref name=seiuno/><ref>{{Cita|Spirito|Pag. 62|Spirito}}.</ref>:

:<math>I_D = \frac{\mu_n C_{ox}}{2}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{th})^2 (1+ \lambda V_{DS}) \simeq G (V_{GS}-V_{th})</math>

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[[File:MOSFET functioning.svg|thumb|upright=1.8|Caratterizzazione della regione di canale in funzione della regione di funzionamento. Quando il dispositivo lavora nella regione di saturazione il canale è strozzato in prossimità di D, e la corrente dipende solamente dalla V_GS.]]

Quando la tensione ''drain-source'' diventa inferiore alla tensione <math>V_{GS} - V_{th}</math> il canale raggiunge il ''drain'': essendo possibile la conduzione il canale si comporta come una [[Resistenza elettrica|resistenza]]<ref name=Schneider>{{Cita libro

| autore=C Galup-Montoro & Schneider MC

| titolo=MOSFET modeling for circuit analysis and design

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| anno= 1995 | pagine=315–316 | editore=Prentice Hall

| città=Englewood Cliffs, NJ | isbn=0-02-374910-5| url=https://worldcat.org/isbn/0-02-374910-5}}

</ref> nel senso che il potenziale diventa variabile lungo la sua ''lunghezza ''L'' ma non nella ''larghezza ''W'' che aumenta solo al crescere della tensione applicata al gate, misurate rispettivamente lungo la direzione parallela e perpendicolare rispetto a quella della corrente che percorre il canale: l'equazione della transconduttanza continua ad essere valida solo ''localmente'':

:<math>j(x)= \mu_n C_{ox}\left(V_{GS}-V_{th}- V(x)\right)</math>

per cui la corrente nel canale diventa:

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dove <math>\mu_n</math> è la mobilità effettiva dei [[Portatore di carica|portatori di carica]], <math>W</math> la larghezza del canale, <math>L</math> la sua lunghezza e <math>C_{ox}</math> la capacità per unità di superficie.

Il comportamento è quindi equivalente a quello di un ''[[triodo]]''.

== Impiego digitale ==

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[[File:CMOS Inverter.svg|thumb|left|upright=0.8|Circuito invertitore a tecnologia [[CMOS]]]]

La tecnologia CMOS, acronimo di ''complementary metal-oxide semiconductor'', è usata per la progettazione di [[circuito integrato|circuiti integrati]], alla cui base sta l'uso dell'[[invertitore]] a MOSFET.<ref>[http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1963-CMOS.html Computer History Museum - The Silicon Engine | 1963 - Complementary MOS Circuit Configuration is Invented]</ref> Si tratta di una struttura circuitale costituita dalla serie di una rete di "Pull-Up" ed una di "Pull-Down": la prima s'incarica di replicare correttamente il livello logico alto '''LL1''' mentre alla seconda è destinata la gestione del livello logico basso '''LL0'''. La rete di Pull-Up è costituita di soli pMOSFET, che si accendono solo se la tensione presente al gate, misurata rispetto al source, è minore della tensione di soglia, che per questi particolari componenti equivale a metà tensione di alimentazione. Inversamente la rete di Pull-Down è costituita di soli nMOSFET, che si accendono solo se la tensione presente al gate è maggiore della tensione di soglia.

A partire dall'invertitore si costruiscono le [[porta logica|porte logiche]] e quindi i [[circuito integrato|circuiti integrati]].

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== Modello EKV ==

Il '''modello EKV''' per i transistor MOSFET è un [[modello matematico]] per la simulazione ed il progetto dei [[circuito integrato|circuiti integrati]] analogici<ref>{{cita pubblicazione

| cognome = Enz

| nome = C. C.

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Tali transistor, in struttura a [[tetrodo]], si usano negli stadi amplificatori e mixer RF per diversi dispositivi, in particolare [[televisore|televisori]], grazie alla caratteristica di avere un alto rapporto guadagno-capacità ed un basso rumore in banda RF, pur avendo un punto di ginocchio ''1/f'' tanto alto da pregiudicarne l'uso come oscillatore.

Tra i ''mosfet depletion'' più diffusi vi sono le famiglie BF 960 [[Siemens (azienda)|Siemens]] e BF 980 [[Philips]], datate [[1980]], i cui discendenti sono tuttora i componenti più diffusi nei gruppi di [[sintonia]].

=== DMOSFET ===

DMOS sta per ''Doubledouble Diffuseddiffused MOSFET'', cioè MOSFET a doppia diffusione. Esistono i MOSFET a doppia diffusione laterale (Lateral''lateral Doubledouble-diffused MOSFET -'', LDMOSFET) e i MOSFET a doppia diffusione verticale (Vertical''vertical Doubledouble-diffused MOSFET -'', VDMOSFET).

=== PMOSFET ===

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[[File:Power mos cell layout.svg|thumb|upright=1.0|Sezione di un MOSFET di potenza]]

Il MOSFET di potenza ha avuto grande importanza nelle applicazioni tecnologiche moderne, tra le quali gli [[amplificatore|amplificatori]], gli [[inverter]] e gli [[alimentatore elettrico|alimentatori]] ''switching''. Il principale vantaggio rispetto ai tradizionali transistor è la struttura verticale, che permette di sostenere alti valori di tensione e corrente.<ref>''Power Semiconductor Devices'', B. Jayant Baliga, PWS publishing Company, Boston. ISBN 0-534-94098-6</ref> La tensione dipende dal drogaggio e dallo spessore degli strati di semiconduttore che lo compongono, mentre la corrente dipende dalle dimensioni del canale.

Il guadagno in corrente del MOSFET di potenza può essere considerato idealmente infinito, cosicché gli stadi di pilotaggio possano essere semplificati, ed è caratterizzato da un basso valore della RDSon, cioè della resistenza che il componente oppone al passaggio della corrente tra drain e source in condizione di saturazione.