IL MOSFET.

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1 IL MOSFET Il MOSFET è certamente il più comune transistor a effetto di campo sia nei circuiti digitali che in quelli analogici. Il MOSFET è composto da un substrato di materiale semiconduttore di tipo N o di tipo P. Solitamente il semiconduttore scelto è il silicio, ma alcuni produttori di circuiti elettronici hanno cominciato a usare una miscela di silicio e germanio (SiGe) nei canali MOSFET. Sfortunatamente, molti semiconduttori con migliori proprietà elettroniche rispetto al silicio, come l'arseniuro di gallio (GaAs), non formano buoni ossidi sul gate e quindi non sono adatti per i MOSFET. Il termine MOSFET deriva dall'abbreviazione di Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (metallo ossido semiconduttore a effetto di campo). Il terminale di gate è uno strato di polisilicio posto sopra il canale, ma separato dal canale tramite un sottile strato isolante di biossido di silicio (SiO2). Quando si applica una tensione tra i terminali di gate e source, il campo elettrico che si genera crea quello che si chiama "canale" nel substrato sottostante. Il canale è dello stesso tipo (P o N) del Source e del Drain, quindi fornisce un percorso conduttivo tra questi due elettrodi. Variando la tensione tra gate e bulk (substrato) (che di solito si considera implicitamente collegato al source) si modifica di conseguenza la conduttività di questo strato e rende possibile controllare il flusso di corrente tra drain e source. 1

2 Senza addentrarmi in formule matematiche che potrebbero risultare incomprensibili per quelli alle prime armi, cercherò di spiegare il funzionamento di questo componente nel modo più semplice possibile. Questo è il simbolo grafico del mosfet utilizzato negli schemi elettrici: Come potete vedere dal disegno essi sono di due tipi a canale N e a canale P. Principi di funzionamento: Il MOSFET può lavorare in tre modi: in uno agisce come un interruttore spento, negli altri due come un interruttore acceso. Le zone di lavoro del MOSFET sono: Cut off Quando la tensione di soglia del componente è data dalla tensione tra gate e source. In questo caso l'interruttore è spento e non c'è corrente tra drain e source. Mentre la corrente tra drain e source dovrebbe idealmente essere nulla poiché l'interruttore è spento, c'è in realtà una debole corrente di inversione, o corrente di sottosoglia. Questa corrente è una delle cause del consumo di potenza nei circuiti integrati. Zona triodo Quando l'interruttore è acceso, e si crea un canale che permette alla corrente di scorrere tra drain e source. Il MOSFET lavora come un resistore. Saturazione Quando l'interruttore è acceso, e si è creato un canale che permette alla corrente di scorrere tra drain e source, ma la corrente non dipende dalla tensione applicata al canale, e quindi il MOSFET non funziona come un resistore, ma come un amplificatore. 2

3 L'effetto Body Quando la differenza tra source e body è diversa da zero, si ha il cosidetto effetto body. Questo contribuisce ad aumentare la tensione di soglia. La crescita di tecnologie digitali come i microprocessori ha fatto si che la tecnologia MOSFET si sviluppasse più velocemente di ogni altro tipo di transistor basato sul silicio. La ragione principale di questo successo è stata determinata dallo sviluppo della logica digitale CMOS, che usa i MOSFET come mattoni fondamentali. Il grande vantaggio dei circuiti CMOS è che (idealmente) non permettono alla corrente di scorrere, e quindi non dissipano potenza, tranne quando gli ingressi alle porte logiche cambiano. Questo è reso possibile inserendo nei circuiti un MOSFET a canale N ed uno a canale P collegando poi l'ingresso di entrambi in modo tale che quando uno conduce, l'altro non conduce. Con questa tecnica non solo si risparmia energia, ma soprattutto si previene il surriscaldamento che distruggerebbe il circuito. Il surriscaldamento è un grande problema nei circuiti integrati, poiché milioni di transistor sono stipati in piccole piastre di silicio.siccome si costruiscono circuiti con MOSFET sempre più piccoli la corrente di sottosoglia crea sempre più problemi, consumando potenza anche quando il circuito non è in funzione. Mosfet di potenza Grande importanza ha avuto lo sviluppo dei mosfet di potenza per le applicazioni tecnologiche moderne, come per esempio gli amplificatori, gli inverter, gli alimentatori switching, eccetera. Il primo grande vantaggio rispetto ai tradizionali transistor BJT è che il pilotaggio avviene in tensione, anziché in corrente; il guadagno in corrente può essere teoricamente considerato infinito, cosicché gli stadi di pilotaggio potranno essere grandemente semplificati. Un secondo vantaggio, non meno importante, è il basso valore della RDSon, cioè della resistenza che il componente oppone al passaggio della corrente tra drain e source in condizione di saturazione. Prendiamo come esempio il mosfet FDP6030L 3

4 La sua RDSon risulta sempre compresa tra 0,0095 e 0,02 ohm; utilizzandolo per interrompere una corrente di 10 Ampere la caduta di tensione massima tra drain e source sarà quindi di 0,2 volt. In analoghe condizioni di lavoro, un transistor di potenza tradizionale avrebbe una Vce-sat di almeno 1 volt o più. In questo modo il mosfet consente di migliorare il rendimento e diminuire la dissipazione termica di apparecchi di potenza alimentati a basse tensioni, come nel caso degli inverter. Inoltre questa caratteristica consente di migliorare lo slew rate degli amplificatori audio, oltre a diminuirne la dissipazione termica. In conclusione abbiamo un componente di piccole dimensioni, in contenitore TO220, in grado di lavorare con correnti molto elevate, fino a 52 ampere, e tensioni fino a 30 volt. Ovviamente le caratteristiche dei singoli modelli di mosfet di potenza variano in funzione delle specifiche richieste. Per esempio, il BUK A può lavorare fino a 100 volt, ma con correnti massime di 26 ampere e una RDSon di 0,08 ohm. Mentre l'stw7na80 sopporta tensioni fino a 800 volt, con 6,5 ampere e una RDSon tipica di 1,68 ohm. Appare dunque evidente la necessità di scegliere oculatamente il modello di mosfet necessario per ogni singola applicazione, evitando di sovraddimensionare eccessivamente la tensione massima rispetto a quella di lavoro. Nella figura sotto potete vedere l interno di un Mosfet in contenitore TO3 4

5 Tipiche applicazioni Audio I parametri più importanti di un Mosfet sono i seguenti: PD mw...massima potenza dissipabile in milliwatt. Vds... massima tensione i volt applicabile tra Drain e Source. IDss...corrente in milliamper che scorre sul Drain. Igss...corrente di fuga del Gate in nanoamper. Vgs... differenza di tensione tra Gate e Source. Yfs o gm o RE...transconduttanza in configurazione Common Source. Una tipica configurazione di amplificatore Audio. Nella sezione Schematics del sito troverete alcuni interessanti progetti di Amplificatori Finali con Mosfet. 5