Introduzione ai transistori a effetto di campo - JFET (23)

 La funzione principale di un transistore é quella di un amplificatore, se impiegato in circuiti analogici, oppure di un interruttore, se impiegato in circuiti digitali. 

Il transistore bipolare a giunzione svolge la propria funzione di interruttore/amplificatore nel momento in cui viene applicata una corrente sul terminale di base. Il circuito invertitore RTL ha mostrato che, per effetto del fanout e delle correnti che scorrono nei terminali di base, riduce le prestazioni logiche, diminuendo il valore massimo della tensione di uscita in proporzione al fanout stesso. Oltre a ciò, vi è anche un consumo di potenza nel segnale di controllo (base).

Questo fenomeno porta dunque allo sviluppo di una tecnologia che conduca corrente, ma senza sprecare potenza nel segnale di controllo. Nasce dunque il transistore a effetto di campo (FET, field effect transistor) con lo scopo di generare corrente con la sola variazione di un campo elettrico, e di conseguenza la differenza di potenziale ai capi del segnale di controllo.

JFET - Transistore a effetto di campo a giunzione

Si consideri preliminarmente un cristallo di semiconduttore di tipo n, drogato con una quantità di ioni donatori ND e dalle dimensioni W, L e H, come mostrato in figura 1. 

Figura 1: cristallo di semiconduttore di tipo n.

Trattandosi di un materiale allo stato solido, è possibile associare a esso una resistenza legata al rapporto tra la lunghezza e la sezione trasversale:

Avendo già provato la legge di Ohm nei semiconduttori drogati, si può affermare che l'applicazione di un campo elettrico ai capi del cristallo muove un flusso di elettroni e può associarsi una corrente:

Con ciò si può concludere che si possono controllare le caratteristiche di conducibilità elettrica variando  il drogaggio oppure le dimensioni. Il fattore σ dipende dalla concentrazione di elettroni liberi.

Ora, si inserisca al di sopra del cristallo di figura 1 una regione di semiconduttore di tipo p, come mostrato in figura 2. Si è creata una giunzione pn, con la relativa regione svuotata. La semi-ampiezza nella regione n ha estensione Wn. 

Figura 2: giunzione pn con relative dimensioni.

L'ampiezza della regione svuotata nella zona n dipende, come analizzato nella polarizzazione del diodo, dalla differenza di potenziale applicata ai capi. È una regione isolante, perché vuota di portatori liberi. La resistenza legata alla sola regione n diventa funzione dell'ampiezza della zona svuotata: 

e si può dire che:

• aumentando negativamente la tensione ai capi della giunzione pn, la regione svuotata di tipo n si ingrandirà, riducendo la conduttività della zona n stessa;
• la tensione negativa ai capi della giunzione pn  realizza un obiettivo importante: la corrente che fluisce nella giunzione pn, che funge da segnale di controllo, è circa nulla. La conducibilità elettrica dipende dal campo elettrico applicato.

Il dispositivo appena creato si chiama JFET, transistore a effetto di campo a giunzione e modifica la propria intensità di corrente a seconda del campo elettrico applicato al terminale di controllo, definito gate. Inoltre, il terminale connesso alla zona p è definito bulk (substrato), e la coppia di terminali agli estremi della zona n sono detti drain e source (il primo ha il potenziale maggiore rispetto al secondo).

Figura 3: struttura di un JFET.

La regione ove può fluire la carica libera, nella regione n, è definita canale. Ha le dimensioni pari alla lunghezza del dispositivo.

In definitiva, attraverso la tensione applicata al terminale di gate, si può modificare l'intensità di corrente che fluisce tra drain e source.

Il simbolo circuitale del JFET è rappresentato in figura 4:

Figura 4: simbolo circuitale del JFET.

Il JFET viene impiegato su larga scala in circuiti analogici, perchè difficilmente integrabile in circuiti digitali VLSI.