Come è il FET un dispositivo controllato da tensione?
Il FET (Field-Effect Transistor) è un dispositivo controllato da tensione grazie alla sua struttura e al principio di funzionamento. A differenza dei transistor a giunzione bipolare (BJT), che sono dispositivi a corrente controllata, i FET regolano il flusso di corrente attraverso il loro canale in base alla tensione applicata al terminale chiamato Gate. Questo lo rende particolarmente utile in applicazioni in cui è richiesta un’elevata impedenza di ingresso e un controllo preciso tramite una tensione esterna.
Principio di Funzionamento del FET
Il FET è costituito da tre terminali principali: il Source (Sorgente), il Drain (Scarico) e il Gate (Porta). Il Gate è separato dal canale conduttivo da un materiale isolante, solitamente un ossido di metallo (in un MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor FET). La tensione applicata al Gate crea un campo elettrico che modula la conducibilità del canale tra il Source e il Drain. Questo campo elettrico controlla la formazione e l’accumulo di cariche libere (elettroni o lacune) nel canale, consentendo o limitando così il flusso di corrente tra il Source e il Drain.
Il FET è quindi un dispositivo a tensione controllata, in quanto la corrente che fluisce tra il Source e il Drain dipende esclusivamente dalla tensione applicata al Gate. Non è necessaria una corrente significativa al Gate per influenzare il comportamento del transistor, il che lo rende particolarmente utile in circuiti ad alta impedenza.
Tipi di FET e Loro Funzionamento
Esistono diversi tipi di FET, tra cui il MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET), il JFET (Junction FET) e il MESFET (Metal-Semiconductor FET), ma il principio di funzionamento di base è simile per tutti i tipi. Tuttavia, la differenza principale tra di loro risiede nel modo in cui il canale conduttivo è formato e nel materiale utilizzato per il gate e il canale.
- MOSFET: Nei MOSFET, la tensione al Gate modula l’accumulo di cariche nel canale di silicio attraverso uno strato di ossido metallico. Esistono due tipi principali di MOSFET: il MOSFET a canale n (n-channel MOSFET) e il MOSFET a canale p (p-channel MOSFET). Nei MOSFET a canale n, una tensione positiva al Gate attrae elettroni nel canale, mentre nei MOSFET a canale p una tensione negativa al Gate attrae lacune (buche di elettroni).
- JFET: Nei JFET, il Gate è in genere collegato a una giunzione p-n. La tensione applicata al Gate modula la larghezza di un canale conduttivo che si forma tra due regioni di tipo n (per i JFET a canale n) o tipo p (per i JFET a canale p). A differenza del MOSFET, il Gate di un JFET è inversamente polarizzato rispetto al canale, il che significa che il JFET è normalmente in conduzione e il Gate è utilizzato per “chiudere” il canale.
Caratteristiche del Controllo della Tensione
La capacità del FET di essere controllato da tensione dipende dal principio di campo elettrico, che modifica la larghezza e la resistenza del canale conduttivo. In un MOSFET, per esempio, l’applicazione di una tensione positiva al Gate crea un campo elettrico che attira elettroni (nel caso di un MOSFET a canale n), consentendo la formazione di un canale conduttivo che permette il flusso di corrente tra il Source e il Drain. La quantità di corrente che può fluire dipende direttamente dalla tensione applicata al Gate. Se la tensione è troppo bassa, il canale non si forma completamente e il flusso di corrente è limitato o nullo.
Una caratteristica interessante dei FET è la sua alta impedenza di ingresso, che è il risultato del fatto che il Gate è isolato elettricamente dal canale. Ciò significa che il FET richiede pochissima corrente al Gate per ottenere una grande variazione nel flusso di corrente tra il Source e il Drain, rendendolo particolarmente adatto a circuiti a bassa potenza e ad alta efficienza energetica.
Vantaggi del FET come Dispositivo a Controllo di Tensione
Ci sono diversi vantaggi nel fare affidamento su un FET come dispositivo a controllo di tensione, tra cui:
- Alta Impedenza di Ingresso: La separazione elettrica tra il Gate e il canale conferisce al FET un’elevata impedenza di ingresso, il che significa che il dispositivo non assorbe quasi corrente dal circuito di controllo, riducendo così il consumo di energia.
- Efficienza Energetica: Poiché il FET non richiede una corrente significativa al Gate, è un dispositivo a bassa potenza, che lo rende ideale per applicazioni in cui l’efficienza energetica è fondamentale, come nei circuiti alimentati a batteria.
- Alta Velocità di Switching: Il controllo basato su tensione consente al FET di operare a frequenze molto alte, il che lo rende ideale per applicazioni ad alta velocità come circuiti digitali e amplificatori RF (radiofrequenza).
- Affidabilità: Poiché il FET non ha parti mobili e la sua funzione non dipende da una corrente che deve fluire attraverso il dispositivo di controllo, tende ad avere una lunga durata e una maggiore affidabilità rispetto ai transistor bipolari.
Applicazioni del FET
I FET sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni elettroniche, grazie alla loro capacità di essere controllati da tensione. Alcuni esempi di applicazioni includono:
- Amplificatori: I FET sono ampiamente utilizzati nei circuiti amplificatori, in particolare per applicazioni audio e RF, dove è necessaria un’alta impedenza di ingresso e una bassa distorsione.
- Commutazione Digitale: I FET, in particolare i MOSFET, sono utilizzati in circuiti digitali per implementare porte logiche e altri dispositivi di commutazione ad alta velocità.
- Regolatori di Tensione: I FET sono utilizzati in regolatori di tensione per alimentare dispositivi elettronici, in quanto consentono un controllo preciso e ad alta efficienza della corrente elettrica.
- Driver di Motori: Grazie alla loro capacità di gestire alte correnti e frequenze elevate, i FET sono comunemente utilizzati in circuiti di controllo dei motori in applicazioni industriali e automobilistiche.
In sintesi, i FET sono dispositivi elettronici che operano come controllori di tensione grazie al principio del campo elettrico. La loro capacità di modulare il flusso di corrente tra il Source e il Drain in base alla tensione applicata al Gate li rende essenziali in una vasta gamma di applicazioni elettroniche, inclusi amplificatori, circuiti digitali e dispositivi di commutazione. La loro alta impedenza di ingresso, efficienza energetica e velocità di commutazione li rendono strumenti chiave per l’elettronica moderna, in particolare nelle applicazioni a bassa potenza e ad alta velocità.