Quali sono i diversi tipi di FET?

I transistori ad effetto di campo (FET) sono i cavalli di battaglia dell'odierna logica digitale, ma trovano numerose applicazioni al di fuori dei circuiti integrati digitali, tutto, dai driver per motori ai regolatori di tensione e amplificatori speciali, può sfruttare i diversi tipi di FET, e ci sono alcuni vantaggi utili che rendono i FET discreti più desiderabili rispetto ai loro cugini, i transistor a giunzione bipolare (BJT).

Sebbene i componenti avanzati e le applicazioni continuino a concentrarsi sulla modifica e l'ottimizzazione fondamentale dell'architettura dei FET, i BJT e i FET discreti sono qui per restare. Ognuno dei vari tipi di FET ha il suo posto in diversi sistemi, e i progettisti possono trovare i FET di cui hanno bisogno con il miglior set di strumenti per la catena di fornitura. Se non sei sicuro di quale tipo di FET dovresti usare, leggi la nostra guida per saperne di più sui diversi FET e sulle specifiche più importanti.

Tipi di FET e le loro applicazioni

I transistori ad effetto di campo, o semplicemente FET, costituiscono la base dei moderni circuiti integrati digitali. Proprio come i precedenti BJT, i FET sono interruttori a tre terminali (quattro se includi il terminale del corpo in un MOSFET), dove una tensione viene applicata al gate per controllare la corrente che scorre tra la sorgente e il drain. Una volta applicata la tensione alla regione del gate, la resistenza del canale cambia stato in funzione della tensione di ingresso. Questi sono i concetti di base dei diversi tipi di FET.

I FET sono suddivisi in tre tipi differenti: FET a gate isolato (meglio conosciuti come MOSFET), FET a giunzione (JFET) e FET metallo-semiconduttore (MESFET). Il diagramma di flusso qui sotto riassume brevemente questi tre tipi di FET e i loro sottotipi. Tra i diversi tipi di MOSFET, la scelta tra FET di tipo a incremento o di tipo a esaurimento offre ai progettisti una certa flessibilità su come implementare la commutazione nei loro sistemi (ad esempio, nei regolatori di potenza).

Con così tanti tipi diversi di FET tra cui scegliere, quale è il migliore e come si confrontano con i BJT? Scaviamo un po' più a fondo per vedere quali tipi di FET sono importanti per diverse applicazioni.

Applicazioni dei MESFET

I MESFET sono spesso utilizzati come driver o interruttori in applicazioni RF che richiedono un'alta potenza di uscita. I componenti MESFET commerciali sono disponibili in una gamma di pacchetti; componenti confezionati in SO/SOIC/SOP sono disponibili con una larghezza di banda che raggiunge ~8 GHz, mentre frequenze elevate fino a ~30 GHz possono essere raggiunte in pacchetti QFN. I MESFET ad alta frequenza sono normalmente realizzati in SiGe (per un'uscita di potenza moderatamente bassa) o GaAs (per un'alta potenza di uscita), e troverai queste strutture integrate in SoC ad alta frequenza.

Applicazioni dei MOSFET

Tra i vari tipi di FET, i MOSFET probabilmente godono della più ampia gamma di applicazioni pratiche. Questi componenti trovano il loro posto in molte applicazioni di elettronica di potenza poiché possono gestire potenze di commutazione che raggiungono livelli in kW. E ovviamente, chiunque sia familiare con i moderni circuiti logici CMOS dovrebbe sapere che i MOSFET formano la base per i dispositivi CMOS.

Se hai bisogno di scegliere un MOSFET discreto per un'applicazione di commutazione, allora il modo in cui il dispositivo viene commutato è abbastanza importante poiché dovrai selezionare la corretta polarità di tensione applicata alla regione del gate. Il tipo di potenziamento NMOS è spesso utilizzato come elemento di commutazione in applicazioni come la regolazione e il condizionamento della potenza ad alta tensione/corrente; trovo che renda più semplice la messa a terra e il layout poiché è necessario fornire solo tensioni positive intorno a una scheda.

Applicazioni JFET

I JFET sono disponibili anche nelle varietà a canale n e p, dove il canale n è normalmente utilizzato poiché gli elettroni hanno una mobilità maggiore rispetto alle lacune. I JFET hanno anche una regione di breakdown quando la tensione drain-source è sufficientemente alta (analogamente al breakdown di diodi pn). Rispetto ai MOSFET, i JFET presentano le seguenti caratteristiche:

• Solo modalità di deplezione

• Minore deriva di frequenza

• Inferiore impedenza di ingresso

• Alta resistenza di drain fornisce curve di trasferimento più piatte

• Maggiore capacità di ingresso

La loro minore deriva di frequenza li rende più desiderabili in oscillatori o circuiti di temporizzazione di precisione. La maggiore capacità di ingresso porta a tempi di accensione leggermente più lunghi quando utilizzati come interruttori. Sebbene possano essere utili per gli oscillatori, quando utilizzati in amplificatori tendono ad avere un prodotto guadagno-banda passante relativamente basso rispetto ai MOSFET e molto inferiore rispetto ai MESFET comparabili.

Applicazioni HEMT

I transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) si riferiscono a qualcosa di più vicino ai materiali utilizzati nei FET, piuttosto che a una struttura completamente diversa o a un tipo di circuito. Gli HEMT possono essere utilizzati in dispositivi RF che devono fornire potenza ad alte frequenze, o che commutano a velocità di bordo elevate. I materiali tipicamente utilizzati in questi dispositivi sono GaAs e GaN, entrambi utilizzati in componenti disponibili commercialmente. Questi dispositivi sono progettati per fornire un'uscita di potenza elevata a frequenze che raggiungono la gamma mmWave. Altri materiali III-V come InP sono stati ricercati per l'uso negli HEMT. Tuttavia, questi materiali non sono ancora producibili in processi di componenti standard su larga scala.

Poiché le applicazioni HEMT si sovrappongono con i MESFET, è lecito chiedersi quale sia la differenza tra questi materiali. La differenza appare nello strato epitassiale del transistor. Gli HEMT sono dispositivi eterostrutturali che utilizzano strati di materiale impilati composizionalmente diversi con mobilità elettronica superiore rispetto al materiale di massa nel dispositivo. Negli HEMT GaAs, il materiale comunemente utilizzato nello strato epitassiale è AlGaAs non stechiometrico. Non vediamo queste stesse strutture o materiali nei MESFET.

Un approccio simile con uno strato non stechiometrico è utilizzato nei GaN HEMT, dove lo strato epitassiale è AlGaN. Un esempio di struttura HEMT su un substrato di SiC è mostrato di seguito. In questa struttura, lo strato di AlGaN può essere una struttura multistrato drogata, e il canale di conduzione sarà formato in questa parte del dispositivo.

La elevata mobilità degli elettroni nel canale di conduzione fornisce una consegna di potenza molto più efficiente ad alte frequenze GHz. Questi sistemi offrono una maggiore gestione della potenza, frequenze più elevate e una maggiore dissipazione del calore (in particolare con SiC) rispetto ai MOSFET di Si scalati che operano nelle bande mmWave. Per queste ragioni, i GaN HEMT sono stati utilizzati anche nell'elettronica di potenza come sostituti altamente termoconduttivi per i MOSFET di Si.

Specifiche Importanti per i FET

Per quanto ci piacerebbe elencare ogni specifica trovata su un foglio dati, non tutte le specifiche sono rilevanti per ogni applicazione. Ce ne sono alcune che sono universali per quasi ogni applicazione:

• Resistenza in stato on: Questa è una delle specifiche più importanti in quanto determina l'efficienza di un FET nella consegna di potenza e nello switching.

• Corrente di perdita: Anche nello stato spento, c'è una piccola quantità di corrente che fluisce tra la sorgente e il drenaggio, portando a una perdita di potenza nello stato OFF.

• Capacità terminali: Questi valori di capacità limiteranno il tempo di switching nel dispositivo. Questo normalmente non è importante a meno che non si stia progettando un prodotto analogico ad alta frequenza.

• Temperatura massima assoluta: I FET falliranno se la temperatura del canale raggiunge il suo valore massimo nominale. Normalmente c'è un piccolo fattore di sicurezza qui, ma questi componenti devono essere selezionati considerando l'ambiente in cui saranno impiegati.

• Valutazione di tensione/corrente: Questa coppia di valori è specificata per un particolare metodo di guida (DC, pulsato o armonico) e determinerà l'area di funzionamento sicura di un FET. Una volta superate queste specifiche per un particolare FET, il dispositivo potrebbe subire un breakdown e fallire.

L'ultimo punto è importante in quanto si riferisce all'area di funzionamento sicura di un FET. Tutti i FET hanno una combinazione di tensione sorgente-drenaggio (V(DS)) e corrente di drenaggio (I(D)) entro cui un FET può essere operato senza fallire. Questa combinazione di tensioni, correnti e metodi di guida forma l'area di funzionamento sicura per un MOSFET, che può essere tracciata su un grafico.

Un esempio dell'area di funzionamento sicura di un MOSFET (FDD7N25LZTM di ON Semiconductor) è mostrato di seguito. In questo grafico, la guida DC viene confrontata con la guida AC in diverse condizioni (in questo caso, guida pulsata). Per la guida DC, il confine dell'area di funzionamento sicura sarà più vicino all'origine rispetto alla guida con impulsi più corti. Il motivo per cui l'area di funzionamento sicura si espande quando la durata dell'impulso è più breve è perché la corrente media sarà inferiore, assumendo la stessa frequenza di ripetizione degli impulsi.

In totale, ci sono tre fattori principali che determinano l'area di funzionamento sicuro di un FET:

• Temperatura in stato stazionario della giunzione

• Resistenza in stato ON

• Metodo di pilotaggio (DC, AC, ecc.)

In generale, qualsiasi pilotaggio AC che corrisponde alla corrente media di un driver DC avrà un'area di funzionamento sicuro simile. Quando la corrente media in pilotaggio AC diminuisce, l'area di funzionamento sicuro si espande. Questo può essere utilizzato come una metrica semplice per selezionare un MOSFET da utilizzare in applicazioni di consegna di potenza: semplicemente confrontare la corrente media sotto pilotaggio AC con la corrente di pilotaggio DC sotto parametri operativi simili (V(DS) e I(D)) per determinare se il MOSFET sarà affidabile sotto pilotaggio AC.

L'altro fattore che è più difficile da affrontare è la temperatura del MOSFET, specificamente la temperatura della giunzione. Se la temperatura della giunzione è troppo elevata, allora il MOSFET è a rischio di guasto. Per un confronto accurato con l'area di funzionamento sicuro, è necessario determinare la perdita di potenza nello stato ON e utilizzare la resistenza termica del componente per prevedere la temperatura di equilibrio. In generale, una temperatura della giunzione più alta porta a aree di funzionamento sicuro più piccole.

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