Le modalità di funzionamento del MOSFET
Il MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) è uno dei dispositivi più utilizzati in elettronica moderna, grazie alla sua capacità di amplificare i segnali o agire come interruttore. I MOSFET sono dispositivi a controllo di tensione e operano in diverse modalità in base alle tensioni applicate ai terminali Gate (G), Drain (D) e Source (S). Ogni modalità ha caratteristiche specifiche che la rendono adatta a diverse applicazioni, come amplificatori, circuiti digitali o dispositivi di commutazione. Le principali modalità di funzionamento di un MOSFET sono il Cutoff Mode, il Triode Mode, il Saturation Mode e il Subthreshold Mode.
Modalità Cutoff
La modalità Cutoff si verifica quando la tensione applicata al terminale Gate (V_GS) è inferiore alla tensione di soglia (V_th) del MOSFET. In questa modalità, il transistor è completamente “spento”, ovvero non conduce corrente tra il Drain e il Source (I_D = 0). La corrente di drenaggio (I_D) è praticamente nulla, indipendentemente dalla tensione Drain-Source (V_DS). Questo comportamento lo rende utile nelle applicazioni digitali, dove il MOSFET funge da interruttore per attivare o disattivare il flusso di corrente. Il MOSFET in modalità Cutoff non ha praticamente alcuna conduttività e, pertanto, non può amplificare i segnali o trasmettere corrente.
Questa modalità è fondamentale nei circuiti logici, in cui il MOSFET si trova in uno stato di “OFF” per bloccare la corrente in uscita.
Modalità Triode (Lineare)
La modalità Triode (o Lineare) si verifica quando la tensione tra il Gate e il Source (V_GS) è maggiore della tensione di soglia (V_th) e la tensione tra il Drain e il Source (V_DS) è relativamente piccola, cioè V_DS < V_GS – V_th. In questa modalità, il MOSFET comporta come una resistenza variabile, il che significa che il flusso di corrente tra il Drain e il Source è controllato sia dalla tensione V_GS che dalla tensione V_DS.
Nel regime di Triode, il MOSFET opera come un amplificatore lineare, dove la corrente di Drain (I_D) è una funzione lineare della tensione Drain-Source (V_DS). Questa modalità è utilizzata in applicazioni analogiche in cui il MOSFET è impiegato come amplificatore. Ad esempio, in amplificatori audio o circuiti di segnale analogico, il MOSFET lavora per amplificare i segnali applicando una tensione di gate sufficiente a mantenere il MOSFET nel regime lineare.
La relazione della corrente di drenaggio nel regime Triode è data dalla formula:
I_D = K[(V_GS - V_th) * V_DS - (V_DS^2)/2]
Qui, K è una costante che dipende dalle proprietà fisiche del MOSFET, come la mobilità degli elettroni nel canale e la geometria del dispositivo.
Modalità Saturazione (Attiva)
La modalità di Saturazione, o anche detta modalità attiva, è quella in cui il MOSFET normalmente funziona per la maggior parte delle applicazioni di amplificazione e commutazione. In questa modalità, la tensione tra il Gate e il Source (V_GS) è sufficientemente alta per superare la tensione di soglia (V_th), mentre la tensione tra il Drain e il Source (V_DS) è maggiore della differenza tra V_GS e V_th (V_DS > V_GS – V_th).
In questa modalità, la corrente tra il Drain e il Source (I_D) è quasi indipendente dalla tensione Drain-Source (V_DS), il che significa che il MOSFET opera come una sorgente di corrente costante. Questo è il comportamento desiderato in molte applicazioni di amplificazione, poiché consente al dispositivo di amplificare un segnale con un guadagno costante. Inoltre, nella modalità di saturazione, il MOSFET si comporta come un amplificatore ad alta impedenza.
La formula della corrente di Drain nel regime di saturazione è la seguente:
I_D = (K/2) * (V_GS - V_th)^2
In questa modalità, il MOSFET è utilizzato come amplificatore di segnale o come interruttore in dispositivi digitali, dove la corrente tra il Drain e il Source è relativamente costante, indipendentemente dalla variazione della tensione V_DS.
Modalità Subthreshold (Sub-umbral)
La modalità Subthreshold si verifica quando la tensione tra il Gate e il Source (V_GS) è inferiore alla tensione di soglia (V_th), ma abbastanza vicina da permettere il passaggio di una piccola corrente di drain. In questa modalità, la corrente di Drain (I_D) è molto bassa e cresce in modo esponenziale con la tensione V_GS. Questo comportamento si verifica perché, sebbene il MOSFET non sia completamente “acceso”, esiste comunque una conduttività tramite la termica generata di cariche libere nel canale.
La corrente in modalità Subthreshold può essere descritta dalla seguente equazione:
I_D = I_D0 * exp((V_GS - V_th) / nV_T)
Qui, I_D0 è la corrente di drenaggio a V_GS = V_th, V_T è la tensione termica e n è il fattore sub-threshold, che determina quanto velocemente la corrente cresce al variare di V_GS. Il MOSFET in questa modalità è utilizzato in applicazioni a bassa potenza dove l’efficienza energetica è essenziale, come nei dispositivi mobili o nei circuiti che richiedono una bassa dissipazione di potenza.
Effetto Corpo (Body Effect)
Un altro fattore che influenza le modalità di funzionamento del MOSFET è l’effetto corpo (Body Effect), che si verifica quando viene applicata una tensione tra il corpo (substrato) e la Source del MOSFET. L’effetto corpo aumenta la tensione di soglia (V_th) del MOSFET, riducendo così la conduttività del canale e facendo sembrare il transistor meno “aperto”. Questo effetto è più evidente nei MOSFET che utilizzano un substrato separato dal canale, come nel caso dei dispositivi CMOS. L’effetto corpo ha un impatto sulle prestazioni del MOSFET, specialmente nei circuiti a bassa tensione e alta velocità.
In conclusione, il MOSFET può operare in diverse modalità a seconda delle tensioni applicate ai suoi terminali. Ogni modalità ha un comportamento specifico che lo rende adatto per determinate applicazioni, come amplificatori, interruttori o dispositivi a bassa potenza. Comprendere le modalità di funzionamento del MOSFET è fondamentale per progettare circuiti elettronici efficienti e ottimizzati per una vasta gamma di utilizzi. Dalle applicazioni analogiche a quelle digitali, il MOSFET è uno degli elementi più versatili e indispensabili in elettronica.