Come funziona un MOSFET e a cosa serve

Il MOSFET appartiene alla famiglia dei transistor ed è una variante del JFET. Il nome è un acronimo del termine inglese “Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”. Il MOSFET è quindi un transistor a effetto di campo a giunzione metallo-ossido-semiconduttore.

Esistono due tipi di MOSFET:

• MOSFET ad arricchimento (enhancement);
• MOSFET a svuotamento (depletion).

Come funziona un MOSFET? Il transistor si compone di tre strati di materiale differente. Alla base troviamo un substrato di silicio (materiale semiconduttore), mentre i terminali detti “source” (sorgente) e “drain” (collettore) sono costituiti da silicio drogato, ovvero con l’aggiunta di impurità, piccole quantità di atomi di altri elementi. Il source e il drain sono sormontati da uno strato isolante di ossido che si oppone al passaggio di corrente verso lo strato superiore detto “gate”. Da un punto di vista strutturale, i terminali di uscita del MOSFET corrispondono al source (S), al drain (D) e al gate (G). Il canale nel semiconduttore tra il source e il drain si comporta in modo simile a un condensatore, e consente di regolare il passaggio di corrente all’interno di un circuito.

A cosa serve un MOSFET? Per il suo ruolo di regolatore del flusso di corrente in un circuito, il MOSFET è utilizzato come interruttore e come amplificatore di tensione.

I campi di applicazione del MOSFET sono molteplici: dai computer agli smartphone, negli amplificatori audio e in un’ampia gamma di dispositivi analogici, dove i MOSFET hanno sostituito i transistor a giunzione bipolare (BJT). Nei circuiti logici il MOSFET è presente spesso nella versione CMOS.

Come scegliere il MOSFET più adatto al proprio progetto? Come già detto, un MOSFET può essere a svuotamento o ad arricchimento.

In entrambi i casi, sono disponibili versioni di MOSFET a canale N e a canale P.

• Canale N: contiene elettroni aggiuntivi liberi di muoversi, e funziona quando viene applicata una tensione positiva al terminale del gate (G). La versione a canale N è quella più utilizzata.
• Canale P: una versione in cui si hanno lacune aggiuntive, ossia cariche positive. I MOSFET a canale P sono connessi a una tensione di gate negativa, e si attivano quando la tensione fornita al gate è inferiore rispetto alla tensione di soglia.

I MOSFET si differenziano anche per il tipo di package di progettazione: DPAK, D2PAK, DFN, I2PAK, SOIC, SOT-223, TO-220.

Le versioni di MOSFET con package D2PAK sono progettate per applicazioni ad alta potenza, garantendo una corrente fino a 500 Ampere. Le versioni MOSFET di potenza standard forniscono, invece, correnti comprese tra 5 Ampere e 50 Ampere.

Che tu stia progettando un nuovo sistema elettronico oppure un consolidato amplificatore di segnale dalle elevate prestazioni, scegli il tipo di MOSFET che fa al caso tuo nella gamma di transistor di RS.

Per usare un MOSFET come interruttore, partiamo da un esempio pratico che ti aiuterà a comprendere meglio il principio di funzionamento.

Con una tensione di gate di 0 Volt, la resistenza del canale è elevata e il MOSFET si comporta come un interruttore aperto. Al contrario, se la tensione è superiore a un determinato livello (detto tensione di soglia), il canale si troverà in una condizione di bassa resistenza e lascerà passare la corrente, comportandosi come un circuito chiuso.

Questo è il principio di base che ti permetterà di usare un MOSFET come interruttore.

Per usare un MOSFET come interruttore Arduino, invece, dovrai scegliere il tipo di MOSFET in base al progetto che hai intenzione di realizzare, e optare per versioni Logic-Level, P-Channel o altre varianti.

Per usare un MOSFET come amplificatore dovrai prima di tutto procedere alla determinazione del punto di lavoro a riposo del transistor, ovvero i valori di tensione e di corrente che si vengono a creare quando non arriva nessun segnale in ingresso da amplificare. Questa procedura viene definita polarizzazione del transistor.

Per costruire un buon amplificatore con un transistor MOSFET, ricorda che i segnali elettronici sono portatori di informazioni, ecco perché il tuo dispositivo dovrà essere progettato in modo tale da amplificare il segnale senza distorcere (rumore) l’informazione che porta.

Gli amplificatori di tensione mediante l’uso di MOSFET possono essere costituiti anche da un solo transistor, in questo caso si hanno amplificatori a singolo MOSFET.

Un esempio è costituito dall’amplificatore a MOSFET connesso a source comune con resistenza di source.

Abbiamo visto che un MOSFET ha tre pin di uscita, detti source (S), drain (D) e gate (G). Per collegare un MOSFET al nostro circuito e permettere che svolga la sua funzione, la tensione va applicata sul pin S e sul pin G.

Sul pin D colleghiamo invece il dispositivo del quale desideriamo gestire il funzionamento: un ventilatore, un motorino, un diodo, ecc.

Aumentando o diminuendo la tensione sul gate (G) andremo ad agire sulla resistenza dell’elemento. All’aumentare della tensione, la resistenza del MOSFET diminuirà permettendo il passaggio di corrente che alimenta il dispositivo collegato.

Attraverso alcuni passaggi schematici, vediamo ora come controllare un transistor MOSFET utilizzando un tester:

• Posiziona il tester sulla modalità prova diodi.
• Collega il positivo al drain (D).
• Collega il negativo al source (S).

Il risultato dovrà essere 0 sul tester, ovvero nessuna conduzione di corrente. Per caricare la capacità del MOSFET, posiziona il positivo sul gate (G) e il negativo su source (S). Ripeti ora la procedura, collegando il positivo sul drain e il negativo sul source, e otterrai una conduzione.

Per scaricare il MOSFET, collega il positivo al source e il negativo al gate, quindi controlla un’ultima volta con il positivo sul drain e il negativo sul source: se il tester indicherà un valore 0 significa che il MOSFET è funzionante.

Per misurazioni e controlli accurati dei MOSFET è importante dotarsi di tester per componenti di alta qualità, come quelli proposti da RS

che restituiscono misurazioni accurate per qualsiasi circuito elettronico e ti permettono di verificare diversi parametri elettrici contemporaneamente.

La nascita dei transistor ha permesso all’elettronica di evolvere a passi da gigante verso la miniaturizzazione dei circuiti elettronici, aumentando al contempo la capacità di elaborazione dei sistemi elettronici in cui sono ampiamente impiegati.

I transistor MOSFET si inseriscono in questa importante evoluzione e consentono, alle industrie come ai piccoli laboratori di elettronica, di creare dispositivi sempre più innovativi. A tutti i livelli, i MOSFET rivestono un ruolo fondamentale nei progetti di sviluppo di nuove apparecchiature elettroniche, insieme a molti altri dispositivi a semiconduttore discreti.

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