B1. Aspectos Introductorios al Transistor de Efecto de Campo
FET.
FET son las siglas en inglés de (Field Effect Transistor); este es también un
dispositivo de tres terminales y que realiza funciones muy parecidas al BJT, puede ser
utilizado como amplificador pero tiene una principal diferencia respecto al BJT, los FET son
controlados por voltaje mientras que los BJT son controlados por corriente.
El principio
de funcionamiento es completamente diferente, mientras los BJT son transistores bipolares
de conducción a base de huecos y electrones, los FET son unipolares, o solo huecos o solo
electrones.
Hay dos tipos de FET:
- Los JFET, Transistor de efecto de campo de unión.
- Los MOSFET, Transistor de Efecto de Campo Metal-Óxido Semiconductor.
El termino efecto de campo estriba en el hecho que, en efecto internamente se forma
un Campo Eléctrico mediante el cual se controlará la trayectoria de las cargas presentes
sin la necesidad de un contacto directo entre las cantidades controladas y los controladores.
Los FET tienen mejor grado de integración que los BJT por esta razón los primeros
son de menor tamaño lográndose con esto encapsular mas FETs en un circuito integrado
que BJTs en el mismo chip; no obstante los BJT son más rápidos.
B1.1. Estructura Básica y Símbolo de un JFET.
Fig. 1: “Estructura Básica y Símbolo de un JFET”
Sus terminales son: Drenaje(D), Compuerta(G) y Fuente(S).
Tal como se puede ver en la figura 1, hay JFET de canal n y JFET de canal p; notar
que mientras el canal sea N, la compuerta o sea terminal de control, será del tipo P y
viceversa para el JFET de canal p en donde la compuerta será del tipo n. Notar también,
como internamente las compuertas a ambos lados están unidas logrando con esto que solo
sea un terminal de compuerta el que salga al exterior.
Tal como se ve en la estructura, hay un canal desde el D a la S, el flujo de corriente
en este, estará condicionado por lo siguiente:
-
La polarización entre Drenaje-Fuente VDS y
La Polarización entre Compuerta-Fuente VGS.
La última condicionante es la que de alguna manera estrecha el canal a través de la
conformación de un campo eléctrico el cual, hace acrecentar los extremos superiores del
material de ambas compuertas y por consiguiente disminuyendo el canal tal como se
aprecia en la siguiente figura:
Fig. 2: “Canal del JFET Estrechándose”
B2. Principio de Funcionamiento de un JFET.
La figura 3 nos ayudará a comprender mejor el principio de funcionamiento de los
JFET y de paso ir conociendo algunos de sus valores característicos usuales en las hojas
del fabricante de los mismos:
B2.1. VGS = 0 V; VDS algún valor positivo.
Tal como se puede ver en la fig. 3, se ha aplicado un valor positivo de VDS y la G se
ha conectado a la S, esto da como resultado un VGS igual a cero voltios; en el instante que
se aplica VDS se establece una corriente de drenaje ID con la dirección convencional
mostrada en la figura; esto nos muestra que la ID=IS ; observar cómo ha cambiado la región
de agotamiento alrededor del material p de las compuertas si las comparamos con la de la
figura 1; bajo estas condiciones, podríamos decir que no se encuentra ninguna restricción
para la corriente en el canal limitada solo, por la resistencia del canal desde D a la S y por
la resistencia de polarización externa.
Fig. 3: “Para Principio de Funcionamiento del JFET”. Del libro de Boylestad.
La región de agotamiento no uniforme en la G se explica por el hecho que desde el
D a la S diremos que hay una resistencia uniforme en todo el canal tal como lo muestra la
fig.4:
Fig. 4: “Resistencia en el Canal en un JFET” Del libro de Boylestad.
Por lo tanto, cualquier nivel de polarización de VDD, hará que las caídas en la
resistencia de este canal sean mayores en la parte superior que en la inferior de la G lo que
quiere decir que en la parte superior la polarización inversa es mayor y de allí la holgura
más pronunciada en esta zona. Todo lo anterior sucede cuando la IG es igual a cero.
Cuando VDS aumenta de cero a unos cuantos voltios, la corriente ID aumenta como
lo determina la ley de ohm, este comportamiento se muestra en la siguiente figura:
ID
IDSS
Región de Saturación
Región
Óhmica
Nivel de Saturación
VGS=0 V
Aumento de la Resistencia debido al
estrechamiento del canal
Resistencia del Canal n
0
Vp
VDS
Fig. 5: “ID en función de VDS para VGS = 0 V en un JFET de canal n”
De la figura 5 diremos lo siguiente:
-
-
Para valores pequeños de VDS la resistencia del canal es constante y proporcional
tal como se ve.
Al aumentar VDS acercándose a un valor denominado VP, las regiones de
agotamiento de la figura 3, se harán más amplias ocasionando una reducción en el
canal.
Si VDS se eleva a un valor en donde se ve que las dos regiones de agotamiento se
tocan, resulta una condición de estrechamiento, tal como muestra la siguiente figura:
Fig. 6: “Condición de Estrechamiento cuando VDS = VP, en un JFET de canal n”
-
-
-
Al voltaje VDS que establece la condición anterior se le denomina voltaje de
estrechamiento o Pinch-Off, VP.
El concepto de estrechamiento podría dar a entender la suspensión de corriente en
el canal sin embargo no es así, aquí se presenta un máximo valor de corriente de
drenaje IDSS denominado de saturación, esto habrá que entenderlo como el aumento
de la densidad de esta corriente parecido por ejemplo, cuando se estrecha el
diámetro de una manguera, aumenta la presión del agua sin aumentar el caudal.
Si seguimos aumentado VDS, más allá de VP, lo que ocurrirá es que las regiones de
encuentro irán aumentado su longitud a través del canal pero la I D se mantendrá
constante y en el valor de saturación IDSS, teniendo las características de una fuente
de corriente constante.
La IDSS es la corriente máxima de drenaje para un JFET y está definida por las
condiciones VGS = 0 V y VDS>│VP│.
Denotar la región denominada óhmica en estos transistores o sea antes de VP, y la
región de saturación justo después de VP.
B2.2. VGS < 0 V; VDS algún valor positivo.
El voltaje de polarización VGS es el voltaje de control de un JFET, parecido a la
corriente de base para un BJT para la configuración de emisor común; al igual que para un
BJT, los FET tienen familias de curvas características que muestra el control que ejerce VGS
así, habrán curvas de “ID vrs VDS” en función de varios valores de control VGS.
Para el
JFET de canal n, el terminal de compuerta se hace más negativo respecto al terminal de
fuente tal como se observa en la siguiente figura:
ID
D
G
IG
VDS
p
p
VGS
n
S
IS
Fig. 7: “Polarización VGS<0 y VDS > 0, en un JFET de canal n”
Si observamos las figuras 5 y 8, veremos que al ir aumentando el valor negativo de
VGS, el nivel de saturación para ID disminuye, ya veremos que IDSS es una característica
máxima de corriente de drenaje que nos da el fabricante del dispositivo, esto casi
independiente del VDS. También se puede denotar que cada vez que aumentamos
negativamente VGS, vamos cerrando el canal hasta llegar a cerrarlo por completo a un valor
de VGS = -Vp; este voltaje de cierre adquiere su valor máximo cuando VGS es cero voltios
sin embargo en la figura 8 no mantiene un valor constante varia en menos en la medida
que VGS se hace más negativo.
En resumen, el nivel de VGS que da como resultado ID=0 mA se encuentra definido
por VGS = Vp, siendo este último negativo para canal n y positivo para canal p. La región
que se declara como saturación es la que se refiere como región de corriente constante,
saturación o región de amplificación lineal con mínima distorsión.
En la hojas
características, usualmente Vp puede aparecer como VGS(off) o (apagado).
Vp
Fig. 8: “Familia de Curvas Características para un JFET de canal n”
B2.3. JFET de Canal p.
Los JFET de canal p, son exactamente iguales a los de canal n, la figura siguiente
muestra los indicios de polarización así como la conformación de los tipos de materiales
internos:
ID
D
G
IG
VDD
n
n
VGG
p
S
IS
Fig. 9: “JFET de canal p”
Las curvas características se muestran en la siguiente figura:
Fig. 10: “Curva Característica de un JFET de canal p”
En la curva de la figura 10 se observa un parámetro identificado como BVDSO, este
es el voltaje de ruptura de compuerta-fuente el cual se encuentra en las hojas de datos
técnicos proporcionados por el fabricante.
B3. Característica de Transferencia de un JFET.
En los BJT, la corriente de entrada IB estaba relacionada con la corriente de salida
IC por el parámetro beta β, esta relación era lineal y dependía de beta; en los JFET no hay
una relación lineal entre la corriente de drenaje ID y el voltaje de control VGS de entrada, la
relación de transferencia entre estos dos últimos parámetros se define por la ecuación de
Shockley:
V
ID = IDSS(1 − GS)2
VP
Ec.1
De la ecuación 1 podemos decir lo siguiente:
- Los términos IDSS y VP son constantes y dados por el fabricante.
- VGS es la variable de control.
- El término cuadrático de la ecuación dará por resultado una relación no lineal entre
ID y VGS produciendo una curva que crece exponencialmente con las magnitudes
decrecientes de VGS.
La curva de transferencia para un JFET canal n se aprecia en la figura 11; en esta
se pueden observar en realidad 2 curvas relacionadas, una de salida con la variables de
corriente de drenaje versus voltaje drenaje fuente y la otra que se le puede llamar de entrada
que relaciona la corriente de drenaje versus el voltaje de control compuerta-fuente; si
recordamos, para el BJT se compartía una variable en la características de entrada y de
salida.
Fig. 11: “Curva de Transferencia para JFET canal n”
Se tomamos la ecuación 1 e intentamos encontrar algunos puntos con ella y
observamos la curva de la figura 11, tendremos:
- Si VGS=0, resulta que ID=IDSS el cual es el punto compartido de corriente que se ve
cuando VGS es cero.
- La otra variable es ID, haciendo traslados de términos y aplicando raíz a cada uno
de los términos nuevos, nos queda que VGS=VP para ID igual a cero.
- Los otros puntos intermedios de 4.7mA y 1.6 mA que se observan son producto de
la aplicación de la ecuación 1.
Aplicando algebra sencilla, de la ecuación 1 se deriva la siguiente ecuación:
𝐼
VGS = VP(1 − √ 𝐷 )
𝐼𝐷𝑆𝑆
Ec.2
B3.1. Problema 1, Curva de Transferencia para JFET canal n.
Trazar la curva de transferencia para un JFET de canal n cuyos valores característicos del
fabricante son IDSS = 12 mA y VGSoff = -6 voltios.
Premisas:
1) Tal como hemos visto, VGSoff = VP por lo tanto este valor es -6 voltios.
2) El valor máximo de ID seria 12 mA.
3) El valor máximo de VGS seria -6 voltios.
Utilizando la ecuación 1 obtenemos la siguiente tabla:
VGS(voltios)
ID(mA)
0.0
-1.0
-2.0
-3.0
-4.0
-5-0
-6
12.0
8.33
5.33
3.0
1.33
0.33
0.0
Graficando los puntos de la tabla anterior resulta la siguiente gráfica:
ID
12
10
8
6
4
2
VGS
-6 -5 -4 -3 -2 -1
B3.2. Problema 2, Curva de Transferencia para JFET canal p.
Trazar la curva de transferencia para un JFET de canal p con IDSS = 4 mA y VP = 3 voltios
Premisas:
1) Para este caso, VP es 3 voltios.
2) El valor máximo de ID seria 4 mA.
3) El valor máximo de VGS seria 3 voltios.
Utilizando la ecuación 1 obtenemos la siguiente tabla:
VGS(voltios)
ID(mA)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
4.0
2.78
1.78
1.00
0.44
0.11
0.0
Graficando los puntos de la tabla anterior nos da la siguiente gráfica:
ID
4
3
2
1
0.5 1 1.5 2 2.5 3
VGS
B4. Hojas de Especificaciones para un JFET.
Fig. 12: “Características Técnicas de JFET canal n, 2N5457 a 2N4559”
B5. Encapsulados para un JFET.
Al igual como hay diferentes encapsulados para BJT, también los hay para JFET
dependiendo la potencia de operación del mismo:
Fig. 13: “Diferentes tipos de Encapsulados para JFET”
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