Transistor de Efecto de Campo

 

Definición.

El JFET es un dispositivo unipolar, ya que en su funcionamiento sólo intervienen los portadores mayoritarios. Existen 2 tipos de JFET: de "canal N" y "de canal P".

En ambos tipos de JFET, la corriente ID de salida se controla por medio de un voltaje entre la compuerta y el surtidor.

Figura 1 : Símbolos de los transistores JFET, canal N y canal P.

Figura 2: Esquema de un JFET.

 

Al comparar el JFET con el TBJ se aprecia que el drenaje (D) es análogo al colector, en tanto que el surtidor (S) es análogo al emisor. Un tercer contacto, la compuerta (G), es análogo a la base.

 

Principio de operación del JFET (de canal N).

Al igual que lo que sucede con el TBJ, el FET tiene tres regiones de operación. Estas regiones son:

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Zona Lineal.

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Zona de Saturación.

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Zona de Corte.

Es preciso hacer notar que en este caso, la saturación alude a un fenómeno completamente distinto al de los transistores TBJ.

 

Zona Lineal.

Si en la estructura de la Figura 1 se aplica una tensión VDS mayor que cero, aparecerá una corriente circulando en el sentido del drenaje al surtidor, corriente que llamaremos ID. El valor de dicha corriente estará limitado por la resistencia del canal N de conducción. En este caso pueden distinguirse dos situaciones, según sea VDS grande o pequeña en comparación con VDS.

 

Valores pequeños de voltaje VDS.

La figura 3 muestra la situación cuando se polariza la unión GS una tensión negativa, mientras que se aplica una tensión menor entre D y S.

 Figura 3: Esquema del transistor de canal N con VGS menor que cero.

 

Por la terminal de puerta (G) no circula más que la corriente de fuga del diodo GS, que en una primera aproximación podemos considerar despreciable. La corriente ID presenta una doble dependencia:

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La corriente ID es directamente proporcional al valor de VDS.

viñeta La anchura del canal es proporcional a la diferencia entre VGS y VP. Como ID está limitada por la resistencia del canal, cuanto mayor sea VGS - VP, mayor será la anchura del canal y mayor la corriente obtenida.

Los dos puntos anteriores se recogen en la siguiente expresión:

ID = ( VGS - VP )VDS

Por lo tanto en la región lineal obtenemos una corriente directamente proporcional a VGS y VDS.

 

Valores altos de VDS.

Para  Valores altos de VDS comparables y superiores a VGS, la situación cambia con respecto al caso anterior. La resistencia del canal se convierte en no lineal, y  el JFet pierde su comportamiento óhmico. Veamos por que sucede esto.

Cuando se aplica un voltaje VDS al canal de 5 volts por ejemplo, éste se distribuye a lo largo del canal, es decir, en las proximidades del terminal D, la tensión será de 5 volts, pero a medio camino circulante la corriente habrá reducido su potencial a la mitad (2,5 V), y en el terminal S el voltaje será nulo. Por otra parte, si VGS es negativo (-2 V, por ejemplo), la tensión se distribuirá uniformemente a lo largo de la zona al no existir ninguna corriente (Figura 5).  

NOTA: se desprecia la caída de tensión en las zonas situadas por debajo de los contactos.

Figura 4: Esquema del transistor de canal N con VGS = -2V y VDS = 5V.

 

En las proximidades del terminal S la tensión inversa aplicada es de 2 V, que corresponde con la VGS = -2 V. Sin embargo, conforme nos acercamos a D esta tensión aumenta: en la mitad del canal es de 4.5 V y en D alcanza 7 V. La polarización inversa aplicada al canal no es constante por lo que la anchura de la zona de deplección tampoco lo será (Figura 6). Cuando VDS es pequeña, esta diferencia de anchuras no afecta a la conducción en el canal, pero cuando aumenta, la  variación en la sección de conducción hace que la corriente de drenaje sea una función no lineal de VDS y que disminuya con respecto a la obtenida sin tener en cuenta este efecto.

Figura 5: Esquema del transistor de canal N en la región de conducción no lineal.

 

Zona de Saturación.

Si VDS se incrementa más, se llegará a un punto en donde el espesor del canal en el extremo del drenaje se acerque a cero. A partir de ese momento, la corriente se mantiene independiente de VDS, puesto que los incrementos de tensión provocan un mayor estrechamiento del canal con lo que la resistencia global aumenta (Figura 7).

Figura 6: Esquema del transistor de canal N en la región de corriente constante.

 

La región de saturación se da cuando se estrangula el canal en el drenaje, lo que sucede cuando la tensión puerta-drenaje (VGD) es más negativa que VP.

VGD < VP => VGS - VDS < VP => VDS > VGS - VP

Antes de seguir, comparemos las figuras 2 y 6. En el caso del bloqueo, todo el canal resulta afectado por la zona de deplección, que es constante por que la tensión VGS se aplica uniformemente a lo largo de toda la unión. En cambio, en la región de corriente constante solo parte del canal ha llegado al bloqueo (provocado por VDS que varía a lo largo del mismo), y es lo que permite la circulación de corriente.

 

 

Zona de corte.

Fijemos nuestra atención en la figura 7. La zona de tipo P, conectada a la puerta forma un diodo con el canal, que es de tipo N. Como se recordará, cuando se forma una unión PN aparecen en los bordes de la misma zona de deplexión en la que no hay portadores de carga libres. La anchura de dicha zona depende de la polarización aplicada. Si esta es inversa, la zona se hace más ancha, proporcionalmente a la tensión aplicada. Aplicando una tensión VGS negativa aumentamos la anchura de la zona de deplexión, con lo que disminuye la anchura del canal N de conducción.

Figura 7: Esquema del transistor JFET de canal N polarizado con tensión de bloqueo.

 

Si el valor de VGS se hace lo suficientemente negativo, la región de agotamiento se extenderá completamente a través del canal, con lo que la resistencia del mismo se hará infinita y se impedirá el paso de ID. El potencial al que se sucede este fenómeno se llama potencial de bloqueo (Pinch Voltage, VP).

 

Por lo tanto, para valores más negativos de VP, el transistor se encuentra polarizado en la zona de corte, y la corriente de drenaje resulta ser nula.

 

 

Ecuaciones del FET.

 
El desempeño del Transistor de Efecto de Campo (FET) fue propuesto por W. Shockley, en 1952. De ahí el nombre que rige la ecuación de este tipo de transistores; la llamada "ECUACIÓN DE SHOCKLEY".
 
Esta expresión dice lo siguiente:
 
donde:
 
ID =         Corriente de Drenaje
  
IDSS =     Corriente de Drenaje de Saturación
 
VGS =      Voltaje Puerta-Fuente
 
VP =        Voltaje de ruptura o Pinch Voltage.
 

 

 

Curvas características del Transistor de Efecto de Campo.

Son solo dos las curvas que se manejan habitualmente para caracterizar los transistores JFET. En primer lugar, en la representación ID v/s VGS para un VDS dado, se aprecia claramente el paso de la región de corte a la región de saturación. En la práctica sólo se opera en el segundo  cuadrante de la gráfica, puesto que en el primero, VGS positiva hace crecer rápidamente a IG.

Figura 8: Características del JFET; Característica de Transferencia y Características ID v/s VGS.

En la característica VDS v/s ID del JFET canal N, se observa la diferencia entre las regiones lineal y de saturación. En la región lineal, para un determinado valor de VGS, la corriente crece proporcionalmente a la tensión VDS. Sin embargo este crecimiento se atenúa hasta llegar a ser nulo. Se alcanza el valor de saturación cuando ID sólo depende de VGS.

 

 

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