Transistor a effetto di campo

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Isidoro Buono
5 anni fa
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1 Transistor a effetto di capo Questa classe di dispositivi coprende nuerosi esepi di dispositivo a tre terinali. Essi hanno in coune il principio di funzionaento, secondo il quale il flusso di corrente tra due dei tre terinali (source e drain è reolato dalla tensione (e quindi dal capo applicata al terzo terinale (ate. Anche in questo caso occorre definire un terinale di riferiento, esso in coune tra inresso e uscita. n questo caso, la confiurazione in uso è una sola, quella a source coune. La tensione di inresso è applicata tra ate e source, quella di uscita tra drain e source. Un altra caratteristica coune ai dispositivi a effetto di capo è che il ate è noralente isolato elettricaente dali altri due terinali, a volte con uno strato di ossido (MOFET, altre attraverso una iunzione polarizzata inversaente (JFET e MEFET. Questo iplica che la corrente di inresso (in continua sia nulla

JFET ource e drain sono realizzati ediante contatti ohici sul ateriale n. Le iunzioni pn superiore e inferiore sono colleate allo stesso eneratore di tensione.

2 JFET ource e drain sono realizzati ediante contatti ohici sul ateriale n. Le iunzioni pn superiore e inferiore sono colleate allo stesso eneratore di tensione. efiniao alcune randezze di interesse: L lunhezza del canale Z larhezza del canale a distanza tra le due zone p W estensione della reione svuotata tensione di source 0 tensione di drain (>0 tensione di ate (<0

3 JFET

4 JFET

5 JFET er trovare la corrente che scorre luno il canale, si trova pria la resistenza di quest ultio. ρ L A 1 σ L Z( a W qµ n N L Z( a W W è una funzione della differenza di potenziale esistente tra la zona p delle iunzioni (ovvero il ate, equipotenziale per le due iunzioni e la zona n, ovvero il canale. e non c è tensione applicata al ate, questa risulta essere deterinata dalla. l potenziale si distribuisce luno il canale partendo dal valore che ha in source, ovvero 0, fino al valore che ha in drain, ovvero. Conseuenteente, l apiezza delle reioni di svuotaento relative alle due iunzioni cresce e il canale diventa proressivaente più stretto. er piccoli valori di, l effetto di restrizione proressiva del canale è trascurale e perciò, la resistenza coplessiva del canale risulta praticaente indipendente da.

JFET ertanto in questo intervallo di tensioni vale la relazione: er questo otivo, questo intervallo di

All auentare di, l effetto di restriniento del canale diventa più rilevante.

potenziale (funzione della coordinata y che varia tra (in corrispondenza del source, y0 e (in

6 JFET ertanto in questo intervallo di tensioni vale la relazione: er questo otivo, questo intervallo di valori della tensione è detto zona lineare. All auentare di, l effetto di restriniento del canale diventa più rilevante. noltre, se al ate è applicata una tensione, tra il ate e il canale si stalisce una differenza di potenziale (funzione della coordinata y che varia tra (in corrispondenza del source, y0 e (in corrispondenza del drain, yl. iinuendo la sezione edia del canale, la corrente cresce eno veloceente con e corrispondenteente la curva viene ad assuere una pendenza inore rispetto a quella della reione lineare.

punto la tensione (rispetto al source vale esattaente dsat. e auenta ulteriorente, si sposta (di poco, e antenendo sepre lo stesso valore di tensione rispetto al source nella direzione del source.

7 JFET Questo andaento sublineare proseue fino a che W(La Questo avviene per un ben preciso valore della tensione di drain, detto dsat. e non c è tensione applicata al ate, tale valore si ricava dalla seuente relazione: W ( L a ε ( ( sat sat ε a a sat ε l punto, di coordinata yl, è detto punto di pinch-off (strozzaento e in quel punto la tensione (rispetto al source vale esattaente dsat. e auenta ulteriorente, si sposta (di poco, e antenendo sepre lo stesso valore di tensione rispetto al source nella direzione del source. Corrispondenteente, a partire da dsat, la corrente non cresce più con la tensione, dal oento che il nuero di portatori che possono partecipare alla conduzione non varia più. A partire da questo punto si dice che il dispositivo si trova in zona di saturazione. a

JFET Ma cosa succede nel dispositivo quando supera il valore dsat? Coe si è detto, il punto di pinch-off si sposta verso il source, antenendosi, rispetto al source, ad una tensione pari a sat.

8 JFET Ma cosa succede nel dispositivo quando supera il valore dsat? Coe si è detto, il punto di pinch-off si sposta verso il source, antenendosi, rispetto al source, ad una tensione pari a sat. ertanto, il resto della tensione, ovvero sat cade ai capi di una reione i cui estrei sono, da un lato il punto di pinch-off e dall altro la coordinata yl. Questa reione è copletaente svuotata di portatori, pertanto non può contribuire alla corrente che scorre nel dispositivo. È però sede di un capo elettrico attraverso il quale li elettroni provenienti dal canale scorrono andandosi poi a riversare nel drain. er esplicitare elio questo concetto, si usa una etafora idraulica che illustra esattaente lo stesso concetto riferito però ad un liquido (la nostra corrente che si riversa da una cascata (la nostra serie di salti di potenziale elettrico Analoaente a h, è dsat (che è una costante, deterinata solo da eoetrie e droai a deterinare la corrente.

9 JFET Ma cosa succede nel dispositivo quando si applica <0? L applicazione di una tensione neativa alla zona p di una iunzione, la anda più in inversa, perciò ne fa allarare le reioni svuotate e quindi, in questo caso, restrine il canale. ertanto, a parità di tensione, nel canale scorre una corrente inferiore. noltre, il pinch-off viene raiunto per tensioni di drain inferiori, secondo la relazione W ( L a ε ( ( sat sat ε a a a notare che in un JFET a canale n, la tensione di ate non può ai essere positiva perché questo farebbe si che le iunzioni di ate andassero in diretta causando un dirottaento della corrente dal canale al ate. sat ε a

Caratteristiche corrente-tensione del JFET L andaento della corrente in funzione della tensione si calcola nel JFET solo per tensioni inferiori a quella di pinch-off.

10 Caratteristiche corrente-tensione del JFET L andaento della corrente in funzione della tensione si calcola nel JFET solo per tensioni inferiori a quella di pinch-off. Quando questo si instaura infatti si considera che la corrente riana costante al valore che aveva al oento del pinch-off (in realtà lo spostaento di verso l interno del canale iplica un leera variazione di con dovuta all accorciaento del canale, a di solito questo fenoeno è quasi ipercettile. dy d ( y d ρ Z ( a W ( y dy qµ n NZ ( a W ( y ' altra parte : ε W(y [ ( y ] d WdW ε dy qµ n N Z ( a W ( y d σ qµ dy Z ( a W ( y n N Z ε ( a W ( y WdW

11 Caratteristiche corrente-tensione del JFET [ ] [ ] ( (0 : ottiene si ponendo cui, da ( (0 dove : n sat L W W n L a q ZN L W W W aw Z N q L ε µ ε ε ε µ nterando abo i ebri tra 0 e L si ottiene: è detta tensione di pinch-off e rappresenta la tensione del punto di pinch-off isurata rispetto al ate.

Caratteristiche corrente-tensione del JFET 1 ediao coe si può seplificare l espressione copleta della corrente nelle varie reioni di funzionaento: EONE LNEAE La relazione

12 Caratteristiche corrente-tensione del JFET 1 ediao coe si può seplificare l espressione copleta della corrente nelle varie reioni di funzionaento: EONE LNEAE La relazione lineare tra e consente di derivare dalla precedente espressione la conduttanza di canale, definita coe: t t p cos cos : transconduttanza definire la analoaente è possile 1

13 Caratteristiche corrente-tensione del JFET 1 p sat sat sat EONE ATUAZONE Coe si vede la corrente non dipende più da. erciò: p cos cos 1 : per quanto riuarda e, 0 t t i noti coe, in valore assoluto, calcolata in saturazione sia uuale a in zona lineare

14 Effetti di breakdown ata la presenza di iunzioni polarizzate inversaente, è lecito aspettarsi la possilità che si aba breakdown relativo a queste iunzioni, allorchè B L effetto sulle curve di uscita è analoo a quello che si osserva nei BJT in eettitore coune

15 Circuito equivalente per piccoli senali A questo punto si è ottenuto il circuito per piccoli senali in entrabe le reioni di funzionaento. l dispositivo, in zona lineare, risponderà all applicazione di un piccolo senale, con una corrente: i v v con e deterinati dalle condizioni stazionari a del JFET n saturazione : i v di polarizzazione Estensione del odello a condizioni di non idealità erranno in particolare presi in considerazione i seuenti effetti: esistenza di resistenze serie possilità che sia diverso da 0 in saturazione esistenza di capacità di svuotaento tra il ate e li altri terinali

Estensione del odello a condizioni di non idealità 1Effetti di resistenze serie ono dovuti a possili cadute di potenziale nel seiconduttore tra il canale vero e proprio e i

16 Estensione del odello a condizioni di non idealità 1Effetti di resistenze serie ono dovuti a possili cadute di potenziale nel seiconduttore tra il canale vero e proprio e i contatti di source e drain Coe conseuenza: ' ' ' ' ( passando v v ' ' ' ' da cui si ricavano v i v v ( v v ' ' ai paraetri di piccolo senale : i i ( ( v e v i da inserire in i ( v ' ' i

ideale diverso da 0 in saturazione Man ano che il punto di pinch-off

17 Estensione del odello a condizioni di non idealità v v i ( 1 ( 1 : cui da ( 1 ( 1 : cui da ' ' ' ' ' ' iù piccoli rispetto al caso ideale diverso da 0 in saturazione Man ano che il punto di pinch-off si sposta verso l interno, diinuisce il percorso resistivo della corrente

Capacità di iunzione C e C rappresentano le capacità di svuotaento delle iunzioni, entre C

18 Estensione del odello a condizioni di non idealità l circuito equivalente conterrà l eleento anche in saturazione (con un valore ovviaente diverso rispetto a quello della zona lineare Capacità di iunzione C e C rappresentano le capacità di svuotaento delle iunzioni, entre C rappresenta il capacitore copreso tra rain e ource che ha coe dielettrico l intera reione p e le sue reioni svuotate

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