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Un meraviglioso viaggio nei semiconduttori: come è stato inventato il JFET?
Nei moderni dispositivi elettronici, i transistor ad effetto di campo (FET) svolgono un ruolo indispensabile. Il transistor ad effetto di campo a giunzione (JFET) è uno degli elementi costitutivi di base di questi dispositivi. Essendo un dispositivo a semiconduttore a tre terminali, JFET ha la funzione di controllare elettronicamente interruttori e resistori e può anche essere utilizzato per costruire amplificatori. A differenza dei transistor a giunzione bipolare (BJT), i JFET sono completamente controllati in tensione, il che significa che non richiedono corrente di polarizzazione, una caratteristica che rende i JFET un grande vantaggio in molte applicazioni.
Un JFET solitamente conduce quando la tensione tra il gate e la sorgente è zero. Se viene applicata una tensione di polarizzazione della polarità appropriata, si ridurrà il flusso di corrente.
Come funziona JFET
Il principio di funzionamento di base di JFET può essere paragonato a un tubo da giardino. La quantità di flusso d'acqua può essere controllata restringendo il diametro del tubo dell'acqua. Quando viene applicata una tensione tra il gate e la source di un JFET, si forma una regione di svuotamento che non conduce più elettricità a causa della mancanza di portanti mobili. Man mano che la regione di svuotamento si espande, la sezione trasversale del canale conduttivo diminuisce, limitando così il flusso di corrente. Quando lo strato di svuotamento è sufficientemente spesso da coprire completamente il canale conduttivo, il JFET entra in quello che viene chiamato stato di "squeeze-off".
JFET può essere considerato un componente in modalità di esaurimento, che si basa sul principio della regione di esaurimento per controllare il flusso di corrente.
Evoluzione storica di JFET
Lo sviluppo del JFET può essere fatto risalire all'inizio del XX secolo. Julius Lilienfeld fece domanda per una serie di brevetti simili a FET negli anni '20 e '30. Un vero JFET fu brevettato per la prima volta nel 1945 da Heinrich Welker. Negli anni '40 anche i premi Nobel John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Shockley stavano sviluppando i FET, ma a quel tempo la tecnologia non era ancora matura e uno dopo l'altro fallì. Infine, il JFET derivato dalla teoria di Shockley nel 1952 fu costruito con successo nel 1953 da George C. Dacey e Ian M. Ross.
Nel 1950, gli ingegneri giapponesi Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe brevettarono un dispositivo simile noto come transistor a induzione statica (SIT).
Introduzione alla struttura
La struttura di base di un JFET è composta da una lunga sezione di materiale semiconduttore drogato, che può essere un semiconduttore di tipo p o di tipo n. Ciascuna estremità forma una giunzione ohmica, una sorgente (S) e un drenaggio (D). Una giunzione pn è formata su entrambi i lati o attorno a questo canale del semiconduttore e la sua tensione è polarizzata attraverso il contatto di gate ohmico (G).
Rapporto JFET
Rispetto ad altri transistor ad effetto di campo, la corrente di gate del JFET a temperatura ambiente (ovvero la corrente di dispersione inversa dal gate alla giunzione del canale) è paragonabile a quella del MOSFET, ma è molto inferiore alla corrente di base della giunzione bipolare transistor. JFET ha una transconduttanza maggiore rispetto al MOSFET e ha un basso rumore di sfarfallio, quindi viene utilizzato in alcuni amplificatori operazionali a basso rumore e ad alta impedenza di ingresso.
Poiché il JFET ha un'impedenza di ingresso estremamente elevata nel circuito, consuma solo una minima quantità di corrente per il circuito utilizzato come ingresso.
La situazione attuale e il futuro di JFET
Con l'evoluzione della tecnologia, in particolare con l'introduzione di dispositivi commerciali a banda larga larga in carburo di silicio (SiC) nel 2008, JFET è diventato fattibile in applicazioni di commutazione ad alta velocità e alta tensione. Sebbene all'inizio ci siano state difficoltà nella produzione di JFET SiC, questi problemi sono stati sostanzialmente risolti e sono ampiamente utilizzati in scenari in cui vengono utilizzati con i tradizionali MOSFET in silicio a bassa tensione.
Con lo sviluppo della tecnologia elettronica, la tecnologia JFET dovrà affrontare anche più applicazioni e sfide. Possiamo aspettarci che JFET svolga un ruolo e un potenziale maggiori nei futuri dispositivi elettronici?
