Transistor a effetto di campo: differenze tra le versioni

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[[File:P45N02LD.jpg|thumb|[[MOSFET di potenza|Transistor di potenza]] a effetto di campo a canale N]]

In [[elettronica]] il '''transistor a effetto di campo''', abbreviato '''FET''', dall'inglese '''''f'''ield-'''e'''ffect '''t'''ransistor'', è un tipo di [[transistor]] largamente usato nel campo dell'[[elettronica digitale]] e diffuso, in maniera minore, nell'[[elettronica analogica]].

In [[elettronica]] il '''transistor a effetto di campo''', abbreviato(in '''FET''',[[Lingua dall'inglese|inglese]] '''''f'''ieldField-Effect Transistor'''e'''ffect, abbreviato '''tFET'''ransistor'',) è un tipo di [[transistor]] largamente usato nel campo dell'[[elettronica digitale]] e, diffuso, in maniera minore,anche nell'[[elettronica analogica]].

Si tratta di un substrato di materiale [[semiconduttore]] drogato, solitamente con il [[silicio]], al quale sono applicati quattro terminali: il ''gate'', il ''source'', il ''drain'' ed il ''bulk''; quest'ultimo, se presente, è generalmente connesso al source e se non presente è connesso al terminale esterno del gate. Il principio di funzionamento del transistor ad effetto di campo si fonda sulla possibilità di controllare la [[conduttività elettrica]] del dispositivo, e quindi la [[corrente elettrica]] che lo attraversa, mediante la formazione di un [[campo elettrico]] al suo interno. Il processo di conduzione coinvolge solo i [[portatore di carica|portatori di carica]] maggioritari, pertanto questo tipo di transistore è detto ''unipolare''.

Si tratta di un substrato di materiale [[semiconduttore]] [[Drogaggio|drogato]], solitamente con ilin [[silicio]], al quale sono applicati quattro terminali: il ''gate'', il ''source'', il ''drain'' ed il ''bulk''; quest'ultimo, se presente, è generalmente connesso al ''source'' e se non presente è connesso al terminale esterno del ''gate''. Il principio di funzionamento del transistor ad effetto di campo si fonda sulla possibilità di controllare la [[conduttività elettrica]] del dispositivo, e quindi la [[corrente elettrica]] che lo attraversa, mediante la formazione di un [[campo elettrico]] al suo interno. Il processo di conduzione coinvolge solo i [[portatore di carica|portatori di carica]] maggioritari, pertanto questo tipo di transistore è detto ''unipolare''.

La diversificazione dei metodi e dei materiali usati nella realizzazione del dispositivo ha portato alla distinzione di tre principali famiglie di FET: [[JFET]], [[MESFET]] e [[MOSFET]]. Il JFET, abbreviazione di ''Junction FET'', è dotato di una [[giunzione p-n]] come elettrodo rettificante; il MESFET, abbreviazione di ''Metal Semiconductor FET'', una giunzione Schottky raddrizzante metallo-semiconduttore ed il MOSFET, abbreviazione di ''Metal Oxide Semiconductor FET'', genera il campo elettrico grazie ad una struttura metallica esterna, separata dalla giunzione da uno strato di dielettrico.

La diversificazione dei metodi e dei materiali usati nella realizzazione del dispositivo ha portato alla distinzione di tre principali famiglie di FET: [[JFET]], [[MESFET]] e [[MOSFET]]. Il JFET, abbreviazione di ''Junction FET'', è dotato di una [[giunzione p-n]] come elettrodo rettificante; il MESFET, abbreviazione di ''Metal Semiconductor FET'', una giunzione Schottky raddrizzante metallo-semiconduttore ed il MOSFET, abbreviazione di ''Metal -Oxide -Semiconductor FET'', genera il campo elettrico grazie ad una struttura metallica esterna, separata dalla giunzione da uno strato di dielettrico.

Il transistor a effetto di campo è stato inventato da [[Julius Edgar Lilienfeld]] nel 1925, ma i primi dispositivi costruiti, i [[JFET]], risalgono 1952, quando fu tecnologicamente possibile realizzarli. Il Fet più diffuso è il [[MOSFET]], realizzato da [[Dawon Kahng]] e [[Martin 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> Insieme al [[transistor a giunzione bipolare]], il FET è il transistor più diffuso in elettronica: a differenza del BJT esso presenta il vantaggio di avere il terminale ''gate ''di controllo isolato, nel quale non passa alcuna corrente

Il transistor a effetto di campo è stato inventato da [[Julius Edgar Lilienfeld]] nel 1925, ma i primi dispositivi costruiti, i [[JFET]], risalgono 1952, quando fu tecnologicamente possibile realizzarli. Il Fet più diffuso è il [[MOSFET]], realizzato da [[Dawon Kahng]] e [[Martin 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> Insieme al [[transistor a giunzione bipolare]], il FET è il transistor più diffuso in elettronica: a differenza del BJT esso presenta il vantaggio di avere il terminale ''gate '' di controllo isolato, nel quale non passa alcuna corrente

== Struttura ==

[[File:N-channel JFET.JPG|thumb|Sezione di un JFET a canale n]]

[[File:MOSFET_schema.png|thumb|Sezione di un MOSFET a canale p]]

Il transistor ad effetto di campo viene realizzato affiancando il terminale di ''gate ''da due regioni di silicio [[drogaggio|drogate]] in maniera opposta al ''bulk'', che costituiscono i terminali di ''drain ''e ''source''. Tali diffusioni costituiscono una [[giunzione p-n]], un contatto tra i blocchi di tipo P e di tipo N ed è priva di [[Portatore di carica|portatori]] liberi. Ai due lati della giunzione vi è una [[differenza di potenziale]] costante, chiamata [[Regione di carica spaziale#Tensione di built-in|tensione di built-in]], che deve mantenere una polarizzazione inversa per il funzionamento del dispositivo.

Il transistor ad effetto di campo viene realizzato affiancando il terminale di ''gate '' da due regioni di silicio [[drogaggio|drogate]] in maniera opposta al ''bulk'', che costituiscono i terminali di ''drain '' e ''source''. Tali diffusioni costituiscono una [[giunzione p-n]], un contatto tra i blocchi di tipo P e di tipo N ed è priva di [[Portatore di carica|portatori]] liberi. Ai due lati della giunzione vi è una [[differenza di potenziale]] costante, chiamata [[Regione di carica spaziale#Tensione di built-in|tensione di ''built-in'']], che deve mantenere una polarizzazione inversa per il funzionamento del dispositivo.

La regione di substrato compresa tra i due terminali ''drain ''e ''source ''è detta '''regione di canale''', ed è caratterizzata da una ''lunghezza di canale L'' e da una ''larghezza di canale W'', misurate rispettivamente lungo la direzione parallela e perpendicolare rispetto al verso della corrente che percorre il canale. Tale regione fornisce un percorso conduttivo tra i due terminali ed è separata dal ''gate ''da un sottile strato solitamente composto da biossido di silicio.

La regione di substrato compresa tra i due terminali ''drain '' e ''source '' è detta '''regione di canale''', ed è caratterizzata da una ''lunghezza di canale L'' e da una ''larghezza di canale W'', misurate rispettivamente lungo la direzione parallela e perpendicolare rispetto al verso della corrente che percorre il canale. Tale regione fornisce un percorso conduttivo tra i due terminali ed è separata dal ''gate '' da un sottile strato solitamente composto da biossido di silicio.

=== Distribuzione delle cariche all'interno del semiconduttore ===

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==== Regione di accumulazione ====

La regione di accumulazione si verifica quando all'elettrodo di ''gate '' viene imposta una tensione negativa rispetto al ''bulk'', generalmente posto a massa. In questa configurazione le lacune del substrato si accumulano in un piccolo strato in prossimità del terminale di ''gate'': questa è la condizione di accumulazione.

==== Regione di svuotamento ====

La regione di svuotamento si verifica quando all'elettrodo di ''gate '' viene imposta una tensione positiva rispetto al ''bulk''. In questa configurazione le lacune del substrato si allontanano dalla ''gate'', lasciando una regione di svuotamento in prossimità di esso.

==== Regione di Inversione ====

La regione di inversione si verifica quando all'elettrodo di ''gate '' viene imposta una tensione positiva superiore ad una certa tensione, detta [[tensione di soglia]]. In questa configurazione gli elettroni presenti nel substrato vengono attratti dal ''gate'', e se la tensione supera la tensione di soglia la concentrazione di elettroni in prossimità del terminale di ''gate '' è maggiore di quella delle lacune: si forma così uno strato di inversione nel quale il silicio è diventato drogato di tipo ''n''.

Lo strato di inversione è molto sottile e l'elevata concentrazione di elettroni è spiegata dal processo di generazione elettrone-lacune nella regione di svuotamento.

[[File:IvsV mosfet.svg|thumb|left|Andamento della corrente del ''pozzo ''in funzione della tensione tra ''pozzo ''e ''sorgente ''per vari valori di <math>V_{GS}-V_{th}</math> in un MOSFET. La linea di contorno tra le regioni lineare e di saturazione è rappresentata dal ramo di parabola.]]

== Funzionamento ==

[[File:IvsV mosfet.svg|thumb|left|Andamento della corrente del ''pozzo '' in funzione della tensione tra ''pozzo ''e ''sorgente '' per vari valori di <math>V_{GS}-V_{th}</math> in un MOSFET. La linea di contorno tra le regioni lineare e di saturazione è rappresentata dal ramo di parabola.]]

In un transistor FET l'effetto transistor si ottiene tramite il campo elettrico indotto dalla [[tensione elettrica|tensione]] applicata tra il terminale di ''gate ''e l'estremità opposta del semiconduttore, detto ''bulk'', che è generalmente posto al potenziale di ''source''. Tale differenza di potenziale crea un canale di conduzione nel silicio attraverso il quale i portatori di carica si spostano dal ''source ''al ''drain ''nel caso di un FET a canale N, dal ''drain ''al ''source'' nel caso di un FET a canale P. L'applicazione di una tensione al ''gate ''permette quindi di controllare il passaggio di [[Carica (fisica)|cariche]] tra il ''source ''e il ''drain'', e quindi la [[corrente elettrica]] che attraversa il dispositivo.

[[File:JFET n-channel en.svg|thumb|upright=1.8|Caratteristiche di trasferimento per un JFET a canale ''n''.]]

[[ImageFile: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 del ''pozzo'', e la corrente dipende solamente dalla tensione tra la '' porta '' e la ''sorgente''.]]

In un transistor FET l'effetto transistor si ottiene tramite il campo elettrico indotto dalla [[tensione elettrica|tensione]] applicata tra il terminale di ''gate ''e l'estremità opposta del semiconduttore, detto ''bulk'', che è generalmente posto al potenziale di ''source''. Tale differenza di potenziale crea un canale di conduzione nel silicio attraverso il quale i portatori di carica si spostano dal ''source '' al ''drain '' nel caso di un FET a canale N, dal ''drain '' al ''source'' nel caso di un FET a canale P. L'applicazione di una tensione al ''gate '' permette quindi di controllare il passaggio di [[Carica (fisica)|cariche]] tra il ''source '' e il ''drain'', e quindi la [[corrente elettrica]] che attraversa il dispositivo.

Per un transistor FET a canale ''n'' la regione di substrato che collega ''drain ''e ''source'' , la regione di canale, può essere o ricca di lacune, o vuota, o ricca di elettroni a seconda che sia rispettivamente di accumulazione, di svuotamento o di inversione. Quando si applica una tensione superiore alla tensione di soglia <math>V_{th}</math> tra i terminali di ''gate e'' ''source'', ottenendo la regione di inversione, vi è un passaggio di cariche attraverso il canale controllato dalla tensione al terminale di ''gate''. Se la tensione è invece inferiore alla tensione di soglia vi è il passaggio di una piccola corrente, detta [[corrente di sottosoglia]].

Per un transistor FET a canale ''n'' la regione di substrato che collega ''drain '' e ''source'' , la regione di canale, può essere o ricca di lacune, o vuota, o ricca di elettroni a seconda che sia rispettivamente di accumulazione, di svuotamento o di inversione. Quando si applica una tensione superiore alla tensione di soglia <math>V_{th}</math> tra i terminali di ''gate e'' e ''source'', ottenendo la regione di inversione, vi è un passaggio di cariche attraverso il canale controllato dalla tensione al terminale di ''gate''. Se la tensione è invece inferiore alla tensione di soglia vi è il passaggio di una piccola corrente, detta [[corrente di sottosoglia]].

Per un transistor FET a canale p, le distribuzioni di carica sono contrarie, per cui il substrato ha un drogaggio di tipo ''n'' e i terminali di ''gate ''e ''source ''di tipo ''p''.

Per un transistor FET a canale p, le distribuzioni di carica sono contrarie, per cui il substrato ha un drogaggio di tipo ''n'' e i terminali di ''gate '' e ''source '' di tipo ''p''.

A seconda della tensione applicata tra ''gate ''e ''bulk ''si individuano tre regioni di lavoro del dispositivo:

[[File:JFET n-channel en.svg|thumb|upright=1.8|Caratteristiche di trasferimento per un JFET a canale ''n''.]]

A seconda della tensione applicata tra ''gate '' e ''bulk '' si individuano tre regioni di lavoro del dispositivo:

[[Image: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 del ''pozzo'', e la corrente dipende solamente dalla tensione tra la'' porta ''e la ''sorgente''.]]

=== Regione di interdizione ===

La regione di interdizione, anche detta di ''cut-off'', si verifica quando <math>V_{GS} < V_{th}</math>, dove <math>V_{GS}</math> è la tensione tra ''gate'' e ''source'', considerando il terminale di ''source '' cortocircuitato con l'elettrodo del ''bulk''. In questo caso non si verifica la formazione del canale: il transistor è spento e non vi è passaggio di carica tra ''gate e'' e ''source''.

=== Regione lineare ===

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| titolo=MOSFET modeling for circuit analysis and design

| anno= 2007 | pagine=83 | editore=World Scientific

| città=London/Singapore | isbn=981-256-810-7| url=httphttps://worldcat.org/isbn/981-256-810-7}}

</ref><ref name=Malik>{{Cita libro

| autore=Norbert R Malik

| titolo=Electronic circuits: analysis, simulation, and design

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

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

</ref> o ''di triodo'', si verifica quando <math>V_{GS} > V_{th}</math> e <math>V_{DS} < (V_{GS} - V_{th})</math>.

In questo caso il transistor è acceso, e si è creato il canale che permette il passaggio di corrente tra i terminali ''drain '' e ''source '' controllato dalla tensione V_GS. Avendo il canale una componente resistiva, il MOSFET lavora come un [[resistore]]

=== Regione di saturazione ===

Riga 62 ⟶ 65:

{{Cita libro

| autore=PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis & RG Meyer

| titolo=§1.5.2 p. 45 | isbn=0-471-32168-0| url=httphttps://worldcat.org/isbn/0-471-32168-0}}

</ref><ref name=Sedra>

{{Cita libro

Riga 68 ⟶ 71:

| titolo=Microelectronic circuits

| anno=2004 | edizione=Fifth Edition | pagine=552

| editore=Oxford | città=New York | isbn=0-19-514251-9| url=httphttps://worldcat.org/isbn/0-19-514251-9}}

</ref> si verifica quando <math>V_{GS} > V_{th}</math> e <math>V_{DS} > (V_{GS} - V_{th})</math>. 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 ''pinch-off'', e 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'</math> sostenute dal campo elettrico, sicché la corrente dipende solamente dalla tensione <math>V_{GS}</math>, ed il transistor funziona come [[Amplificatore (elettronica)|amplificatore]].<ref name=seiuno/> Quando il transistor lavora in regione di saturazione la corrente dipende quadraticamente dalla tensione tra ''gate e'' e ''source'':<ref>{{Cita|Spirito|Pag. 62|Spirito}}.</ref>

:<math>I_{Dsat} \simeq K (V_{GS}-V_{th})^2</math>

== Simbolo circuitale ==

I simboli circuitali dei FET sono molteplici, tutti caratterizzati dall'avere i tre terminali, ''gate,'', ''source '' e ''drain'' on{{cn|con un eventuale ''body'' aggiuntivo per indicare il substrato dispomibiledisponibile come piedino in rari transistor MOSFET degli anni 1960}}, identificati da una linea: quelloquella delladel ''gate '' è perpendicolare alglialle altrialtre due. La connessione del ''bulk'' è mostrata da una freccia che punta da P a N, cioè nel caso di un FET a canale ''p'', punta dal ''bulk '' al canale. Il contrario accade per il FET a canale ''n''. Nel caso il terminale di ''bulk '' non sia mostrato, per il [[MOSFET]] si usa il simbolo invertente (un pallino in prossimità del ''gate'') per identificare i pMOS; in alternativa una freccia sul ''source '' indica l'output per il nMOS o l'input per il pMOS.

Di seguito il confronto tra i vari simboli di MOSFET e [[JFET]]:

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Per i simboli in cui è mostrato il terminale di ''bulk'', esso appare connesso al ''source'': questa è una configurazione tipica, ma non è l'unica possibile. In generale il MOSFET è un dispositivo a quattro terminali.

== TipologieTipi ==

[[File:FET_comparison.png|thumb|upright=1.4|thumb|Rappresentazione dei tipi di [[JFET]], [[MOSFET]] in [[polisilicio]], [[Dual Gate MOSFET|DGMOSFET]], metal-gate MOSFET, [[MESFET]]: in alto vi è il ''source'', in basso il ''drain'', a sinistra il ''gate'', a destra il ''bulk''. Sono indicati in grigio la regione priva di portatori di carica, in rosso la regione ricca di lacune, in blu la regione ricca di elettroni, in bianco l'isolante ed in nero il metallo.]]

I transistor a effetto di campo si possono distinguere in varie tipologie a seconda della differente struttura e composizione: per ogni tipologia vi sono vari modelli, differenziati dal modo in cui viene isolato il terminale di ''gate ''dal canale. Le principali tipologie sono elencate di seguito:

I transistor a effetto di campo si possono distinguere in varie tipologietipi a seconda della differente struttura e composizione: per ogni tipologiatipo vi sono vari modelli, differenziati dal modo in cui viene isolato il terminale di ''gate '' dal canale. Le principali tipologie sono elencate di seguito:

* '''[[DEPFET]]''', FET composto da ''substrato ''completamente svuotato, è usato come sensore, amplificatore e nodo di memoria.

I tipi principali sono elencati di seguito:

* '''[[DEPFET]]''', FET composto da ''substrato '' completamente svuotato, è usato come sensore, amplificatore e nodo di memoria.

* '''[[Dual Gate MOSFET|DGMOSFET]]''', mosfet con due terminali di ''gate''.

* '''[[DNA field-effect transistor|DNAFET]]''', particolare tipo di FET basato sulla struttura del [[DNA]], usato come [[biosensore]].

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* '''[[MESFET]]''', acronimo di ''Metal–Semiconductor Field-Effect Transistor'', dispositivo che sostituisce alla [[giunzione p-n]] la barriera di Schottky.

* '''[[MODFET]]''', acronimo di ''Modulation-Doped Field Effect Transistor'', usa una struttura a [[buca di potenziale]].

* '''[[MOSFET]]''', acronimo di ''Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor'', utilizzausa un [[isolante elettricodielettrico|isolante]] tra ''gate '' e ''substrato''.

* '''[[NOMFET]]''', acronimo di ''Nanoparticle Organic Memory FET''.

* '''[[OFET]]''', acronimo di ''Organic FET'', usa un semiconduttore organico.

* '''BIOFET''', i cambiamenti del potenziale di ''gate'' sono indotti da un materiale sensibile e dall'interazione con le biomolecole cui fa riferimento il biosensore. Quando la biomolecola si lega al materiale sensibile si verifica un cambiamento della distribuzione di carica elettrica che risulta rilevabile tipicamente con un cambiamento di conduttanza del canale. Un esempio di applicazione sono i COVID-FET<ref>{{Cita web|url=https://biomedicalcue.it/biosensori-rilevare-virus-sars-cov2-covid-19-fet/32023/|titolo=Biosensori per rivelare il virus SARS-CoV2 con transistor FET|autore=Alessandro Mastrofini|sito=Biomed CuE {{!}} Close-up Engineering|data=2021-07-21|lingua=it-IT|accesso=2021-08-28}}</ref>, biotransistor FET per rilevare la presenza di SARS-Cov2 sfruttando il legame con le proteine Spike.

== Note ==

<references/>

== Bibliografia ==

*{{cita libro|Paolo| Spirito| Elettronica digitale| 2006 | McGraw-Hill Libri Italia sr.| Milano |isbn=978-88-386-6323-9|cid=Spirito}}

*{{RivistaVG|e2000|7|72-76|11|1979|Field Effect Transistor}}

== Voci correlate ==

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== Altri progetti ==

{{interprogetto|commonspreposizione=Category:Field-effect Transistorssul|wikt=FET|wikt_etichetta=FET}}

== Collegamenti esterni ==

* {{Collegamenti esterni}}

* {{FOLDOC|field effect transistor|field effect transistor}}

{{Componenti elettronici}}