Il transistor a effetto di campo (FET) è un dispositivo elettronico fondamentale che ha rivoluzionato il mondo dell'elettronica moderna. Introdotto per la prima volta negli anni '60, il FET è diventato uno dei componenti più utilizzati nei circuiti elettronici, grazie alla sua capacità di controllare il flusso di corrente elettrica attraverso un canale conduttivo. A differenza dei transistor a giunzione bipolare (BJT), i FET sono dispositivi unipolari, il che significa che il flusso di corrente è controllato da una sola specie di portatori di carica, siano essi elettroni o lacune. Questa proprietà conferisce ai FET vantaggi significativi in termini di efficienza, linearità e prestazioni in applicazioni ad alta frequenza.

Il principio di funzionamento di un FET si basa sull'uso di un campo elettrico per controllare il flusso di corrente attraverso un canale conduttivo. Un FET è costituito principalmente da tre terminali: il drain (D), il source (S) e il gate (G). Il gate è il terminale attraverso il quale viene applicato il segnale di controllo, mentre il drain e il source sono i terminali attraverso i quali fluisce la corrente. Quando viene applicata una tensione al gate, si genera un campo elettrico che modifica la conduttività del canale tra il drain e il source. A seconda del tipo di FET, il canale può essere di tipo n (dove gli elettroni sono i portatori di carica) o di tipo p (dove le lacune sono i portatori di carica).

Un aspetto distintivo dei FET è la loro elevata impedenza di ingresso. Questo significa che esercitano una minima influenza sul circuito in cui sono inseriti, rendendoli ideali per applicazioni di amplificazione e switching. Inoltre, i FET mostrano una minore distorsione rispetto ai BJT, soprattutto in applicazioni ad alta frequenza, il che li rende preferiti in circuiti RF e di comunicazione.

Esistono diverse varianti di FET, con i più comuni che includono il Junction FET (JFET) e il Metal-Oxide-Semiconductor FET (MOSFET). Il JFET utilizza una giunzione pn per controllare il flusso di corrente, mentre il MOSFET utilizza un isolante di ossido per separare il gate dal canale. Quest'ultima caratteristica conferisce ai MOSFET uno dei più alti livelli di impedenza di ingresso tra i FET, rendendoli estremamente versatili in vari ambiti.

I FET trovano applicazione in una vasta gamma di dispositivi elettronici. Uno degli utilizzi più comuni è negli amplificatori. Grazie alla loro elevata impedenza di ingresso, i FET sono in grado di amplificare segnali deboli senza influenzare il circuito sorgente. Questo è particolarmente utile in applicazioni audio e di trasmissione, dove è fondamentale mantenere la qualità del segnale. Inoltre, i FET sono utilizzati nei circuiti di oscillazione e nei mixer, dove la loro capacità di operare a frequenze elevate è essenziale.

Un altro campo in cui i FET sono ampiamente utilizzati è quello dei circuiti digitali. I MOSFET, in particolare, sono la base dei circuiti integrati (IC) e dei microprocessori. Questi dispositivi possono essere commutati rapidamente tra stati on e off, consentendo la realizzazione di logiche binarie necessarie per l'elaborazione delle informazioni. Inoltre, l'architettura CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), che utilizza sia FET di tipo n che di tipo p, ha permesso la creazione di circuiti integrati a bassa potenza e ad alta densità, fondamentali per la miniaturizzazione dei dispositivi elettronici.

Nei circuiti di potenza, i FET sono utilizzati come interruttori per gestire carichi elevati. I MOSFET, in particolare, sono molto apprezzati per la loro capacità di gestire elevati livelli di corrente e tensione, rendendoli ideali per applicazioni come alimentatori switching e convertitori DC-DC. La loro efficienza nella commutazione consente una gestione termica superiore, riducendo la necessità di dissipatori di calore ingombranti.

Per comprendere meglio il funzionamento di un FET, è utile considerare alcune formule fondamentali. La corrente che fluisce attraverso un FET può essere descritta dall'equazione di drain current (Id) per il caso di un MOSFET in regione di saturazione:

Id = (1/2) * μn * Cox * (W/L) * (Vgs - Vth)²

Dove:
- μn è la mobilità degli elettroni nel canale,
- Cox è la capacità per unità di area del gate,
- W è la larghezza del canale,
- L è la lunghezza del canale,
- Vgs è la tensione gate-source,
- Vth è la tensione di soglia.

Questa formula evidenzia come la corrente di drain dipenda dalla tensione applicata al gate, nonché dalle proprietà fisiche del dispositivo. In particolare, mostra che un aumento della tensione gate-source oltre la soglia provoca un incremento esponenziale della corrente di drain, evidenziando l'importanza del controllo preciso della tensione nel funzionamento dei FET.

Lo sviluppo dei FET è stato il risultato del lavoro di molti ricercatori e ingegneri nel campo dell'elettronica. Tra i pionieri ci sono nomi come John Bardeen e Walter Brattain, che hanno contribuito alla comprensione dei semiconduttori e dei dispositivi a stato solido. Tuttavia, il FET come lo conosciamo oggi è stato principalmente perfezionato da ingegneri come Mohamed Atalla e Dawon Kahng, che hanno sviluppato il MOSFET negli anni '60. Questo dispositivo ha aperto la strada a una nuova era dell'elettronica, consentendo la miniaturizzazione e l'integrazione dei circuiti.

L'evoluzione continua dei FET ha portato a numerosi miglioramenti in termini di prestazioni, efficienza e applicazioni. Oggi, i FET sono presenti in quasi tutti i dispositivi elettronici, dai computer agli smartphone, fino ai sistemi di comunicazione e ai veicoli elettrici. La loro versatilità e capacità di adattarsi a diverse esigenze tecnologiche fanno del transistor a effetto di campo un componente chiave nel panorama elettronico contemporaneo.