La commutazione di MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) rappresenta un aspetto cruciale nel campo dell'elettronica moderna, in particolare nelle applicazioni di potenza e nei circuiti di switching. Grazie alla loro capacità di operare ad alta velocità e con basse perdite di potenza, i MOSFET sono diventati componenti fondamentali in una vasta gamma di dispositivi elettronici, dai semplici circuiti di alimentazione alle complesse interfacce di controllo. Questo articolo esplorerà in dettaglio la commutazione di MOSFET, analizzando il funzionamento di questi dispositivi, i loro utilizzi pratici e le formule pertinenti, oltre a menzionare i pionieri e i ricercatori che hanno contribuito al loro sviluppo.

Il principio di funzionamento di un MOSFET si basa sulla modulazione della conducibilità di un canale, creato tra il drain e il source, mediante un campo elettrico applicato al gate. A differenza dei transistor bipolari, i MOSFET sono considerati dispositivi a controllo di tensione, il che significa che la corrente che fluisce attraverso il dispositivo è controllata dalla tensione applicata al gate. Questa proprietà consente ai MOSFET di commutare rapidamente tra stati on (conducente) e off (non conducente), rendendoli ideali per applicazioni di commutazione.

Durante la commutazione, il MOSFET passa dallo stato off a quello on e viceversa. Questo processo di commutazione può essere suddiviso in diverse fasi: la fase di accensione, la fase di conduzione e la fase di spegnimento. Nella fase di accensione, quando la tensione di gate supera una certa soglia (Vgs), il canale di conduzione si forma e il dispositivo inizia a condurre. Durante la fase di conduzione, il MOSFET presenta una bassa resistenza e può gestire un’elevata corrente. Infine, nella fase di spegnimento, la tensione di gate viene ridotta al di sotto della soglia, interrompendo il flusso di corrente e riportando il dispositivo allo stato off.

Una caratteristica fondamentale da considerare nella commutazione di un MOSFET è il tempo di commutazione, che è composto da due componenti principali: il tempo di accensione (ton) e il tempo di spegnimento (toff). Questi tempi influenzano direttamente le prestazioni del circuito in cui il MOSFET è utilizzato. Tempi di commutazione più brevi riducono le perdite di commutazione e migliorano l'efficienza del sistema. Le perdite di commutazione si verificano principalmente a causa della carica e scarica del gate, nonché della variazione della corrente e della tensione durante il passaggio tra stati. Pertanto, è cruciale progettare circuiti di pilotaggio del gate che possano fornire le correnti necessarie per garantire tempi di commutazione rapidi.

Un esempio pratico dell'utilizzo di MOSFET in applicazioni di commutazione è rappresentato negli alimentatori switching. Questi dispositivi utilizzano MOSFET per convertire l'energia elettrica da una forma all'altra in modo efficiente. Grazie alla loro capacità di commutare rapidamente, i MOSFET consentono di ridurre le dimensioni dei trasformatori e dei filtri, migliorando l'efficienza globale del sistema. Gli alimentatori switching sono ampiamente impiegati in elettronica di consumo, computer, sistemi di telecomunicazione e molte altre applicazioni industriali.

Un altro esempio di applicazione dei MOSFET nella commutazione è nei circuiti di controllo motore. I MOSFET possono essere utilizzati come interruttori per pilotare motori DC o passo-passo, consentendo il controllo preciso della velocità e della direzione. In tali circuiti, i MOSFET possono essere configurati in topologie come H-bridge, che permettono la reversibilità del motore e la modulazione dell'ampiezza dell'impulso (PWM) per regolare la potenza fornita al motore.

Le formule che governano il comportamento di commutazione dei MOSFET sono essenziali per il design e l'analisi dei circuiti. Una delle più importanti è la relazione tra la corrente di drain (Id) e la tensione di gate-source (Vgs), che determina se il MOSFET è in stato di conduzione o meno. La soglia di tensione (Vth) è un parametro chiave che deve essere superato per attivare il dispositivo. La corrente di drain può essere espressa con la seguente equazione, valida nella regione di saturazione:

Id = K * (Vgs - Vth)^2

dove K è un parametro del dispositivo che dipende dalla sua geometria e dalle proprietà del materiale. Inoltre, è importante considerare le perdite di potenza nel MOSFET, che possono essere calcolate come:

P = Id^2 * Rds(on) + 0.5 * Vds * Id * (ton + toff)

dove Rds(on) è la resistenza del canale quando il MOSFET è attivo, Vds è la tensione drain-source e ton e toff sono i tempi di commutazione.

L'evoluzione dei MOSFET e della loro tecnologia di commutazione è stata il risultato di importanti contributi da parte di numerosi ricercatori e ingegneri nel campo dell'elettronica. Uno dei pionieri fondamentali è stato Mohamed M. Atalla, che, insieme a Dawon Kahng, ha sviluppato il primo MOSFET nel 1959. Questo sviluppo ha aperto la strada a una nuova era di dispositivi elettronici, grazie alle loro superiori caratteristiche rispetto ai transistor bipolari. Altri contributi significativi sono stati forniti da aziende come Fairchild Semiconductor, che hanno commercializzato i primi circuiti integrati basati su MOSFET, e aziende come Texas Instruments e Infineon, che hanno continuato a innovare nella produzione di MOSFET a elevate prestazioni.

Negli ultimi anni, i progressi nella tecnologia dei materiali, come l'uso di silicio-carburo (SiC) e nitruro di gallio (GaN), hanno ulteriormente migliorato le capacità di commutazione dei MOSFET, consentendo di operare a tensioni più elevate e temperature più elevate, senza compromettere l'efficienza. Questi materiali avanzati hanno portato a dispositivi con prestazioni superiori e a minori perdite di commutazione, ampliando ulteriormente le applicazioni dei MOSFET nei settori dell'energia rinnovabile, dei veicoli elettrici e delle tecnologie di alimentazione ad alta efficienza.

In sintesi, la commutazione di MOSFET è un argomento di grande rilevanza nell'elettronica moderna, con applicazioni che spaziano dagli alimentatori switching ai circuiti di controllo motore. La comprensione dei principi di funzionamento, delle formule associate e del contesto storico dei MOSFET è fondamentale per ingegneri e tecnici che lavorano nel settore. Grazie all'innovazione continua e alla ricerca, i MOSFET continueranno a svolgere un ruolo cruciale nel futuro dell'elettronica.