Il MOSFET

(la videolezione) A differenza di un transistor a giunzione bipolare (BJT), che è controllato in corrente, il MOSFET richiede una tensione sul suo terminale di controllo (il gate) per amplificare oppure accendersi e spegnersi. Questa caratteristica lo rende estremamente efficiente, poiché in condizioni statiche il gate assorbe una corrente praticamente nulla.

La struttura base di un MOSFET a canale N è la seguente:

Substrato (Body): È il materiale semiconduttore di base, solitamente di tipo P (con lacune come portatori di carica maggioritari).

Source e Drain: Due regioni fortemente drogate di tipo N (con elettroni come portatori maggioritari), create tramite un processo di impiantazione ionica nel substrato.

Gate: Un elettrodo metallico (o di polisilicio) separato dal substrato da un sottilissimo strato di ossido (tipicamente biossido di silicio, SiO₂). Questo strato è un eccellente isolante elettrico.

Canale: La regione nel substrato di tipo P, tra Source e Drain, la cui conduttività viene modificata dall'applicazione di una tensione sul gate.

Esistono due tipi principali di MOSFET, ciascuno con il proprio simbolo circuitale:

MOSFET a Canale N (NMOS): Il canale è costituito da elettroni.

Nel suo simbolo, la freccia sul terminale di Source punta verso l'interno del transistor.

MOSFET a Canale P (PMOS): Il canale è costituito da lacune.

Nel suo simbolo, la freccia sul terminale di Source punta verso l'esterno del transistor.

Spesso, i MOSFET per applicazioni di potenza hanno un quarto terminale, il Body, che di solito è connesso internamente al Source.

Il funzionamento del componente si basa sulla creazione di un "canale" conduttivo tramite un campo elettrico, da cui il nome "Transistor a Effetto di Campo".

1. MOSFET a Canale N ad Arricchimento (Enhancement Mode) - Il tipo più comune

Senza tensione sul gate, tra il Source e il Drain ci (V_GS = 0) sono due diodi PN (substrato P - regioni N) in antiserie. Non può scorrere corrente, il transistor è spento. È come un interruttore aperto.

Condizione di ACCENSIONE: Applicando una tensione positiva sul gate rispetto al source, gli elettroni (cariche positive nel foglio) nel substrato P sono attratti verso la superficie sotto l'ossido. Quando la tensione supera una soglia critica (V_GS > V_th), si forma uno strato ricco di elettroni che collega il Source al Drain. Questo strato, chiamato canale di inversione, permette il flusso di corrente. 

2. MOSFET a Canale N a Svuotamento (Depletion Mode) - Meno comune

Questo tipo ha un canale pre-costruito. Applicando una tensione di gate negativa, il canale può essere "svuotato" dei suoi portatori di carica, spegnendo il transistor. Funziona quindi in modo opposto.

Regioni di Funzionamento

Un MOSFET non è solo un interruttore on/off, ma può anche amplificare segnali. Le sue regioni di funzionamento sono:

Regione di Interdizione (Cut-off): V_GS < V_th. Nessun canale, corrente di drain nulla (Id = 0). Il transistor è spento.

Regione triodica: V_GS > V_th e V_DS è piccolo. Il canale è continuo e il transistor si comporta come una resistenza variabile controllata in tensione.

Regione di Saturazione: V_GS > V_th e V_DS è sufficientemente alto. Il canale si "strozza" dal lato del drain. La corrente Id diventa praticamente indipendente da V_DS e dipende quasi esclusivamente da V_GS. Questa è la regione usata per l'amplificazione dei segnali analogici.

Regione di Breakdown: Se V_DS diventa troppo alto, si verifica una valanga di portatori di carica che distrugge il componente.

Per un interruttore digitale, si opera principalmente tra la regione di interdizione (OFF) e la regione triodica (ON, con una resistenza molto bassa, detta R_DS(on)).

Tipi di MOSFET

MOSFET di Potenza: Progettati per gestire alte tensioni e correnti. Hanno strutture complesse per minimizzare R_DS(on). Sono usati negli inverter, alimentatori switching, controlli motori.

MOSFET per Segnale: Usati per l'amplificazione e la commutazione di segnali a bassa potenza nei circuiti integrati analogici e digitali.

Applicazioni 

Elettronica Digitale (CPU, RAM, Logica): I MOSFET sono gli elementi base delle porte logiche (NOT, NAND, NOR) e delle celle di memoria. Milioni o miliardi di MOSFET microscopici formano un circuito integrato moderno. La tecnologia  CMOS (Complementary MOS), che utilizza coppie di NMOS e PMOS, è lo standard per la logica digitale grazie al suo bassissimo consumo energetico.

Convertitori di Potenza (Alimentatori Switching, DC-DC): Fungono da interruttori ad altissima velocità (fino a centinaia di kHz o MHz) per convertire efficientemente un livello di tensione in un altro.

Azionamenti per Motori e Inverter: Controllano la velocità e la coppia di motori in corrente continua e alternata, usati in robotica, automotive (es. auto elettriche), e industrie.

Amplificatori di Potenza in Audio: Forniscono potenza ai diffusori con alta fedeltà ed efficienza (amplificatori in classe D).

Circuiti Analogici: Come amplificatori, mixer e oscillatori, grazie alla loro regione di saturazione.