Transistores de efecto de campo de unión
Los transistores de efecto de campo de unión son transistores basados en semiconductores controlados por voltaje. Se trata de transistores unidireccionales con tres terminales; drenaje, fuente y compuerta. Los JFET no tienen uniones PN, pero están compuestos por canales de materiales semiconductores.
Construcción y clasificaciones
Los JFET tienen un gran canal para el flujo de portadores de carga mayoritarios. Este canal se conoce como sustrato. El sustrato puede ser de material tipo P o tipo N. Dos contactos externos conocidos como contactos óhmicos se colocan en los dos extremos del canal. Los JFET se clasifican según el material semiconductor del sustrato en su construcción.
Transistores JFET de canal N
El canal está hecho de material de impureza tipo N, mientras que las compuertas están compuestas de material de impureza tipo P. El material tipo N significa que las impurezas pentavalentes han sido dopadas y la mayoría de los portadores de carga son electrones libres en el canal. La construcción básica y la presentación simbólica de los JFET de canal N se muestran a continuación:
Transistores JFET de canal P
El canal está compuesto de material de impureza tipo P, mientras que las compuertas están compuestas de material de impureza tipo N. Canal P significa que se han dopado impurezas trivalentes en el canal y la mayoría de los portadores de carga son agujeros. La construcción básica y la presentación simbólica del JFET de canal P se muestran a continuación:
Funcionamiento de los JFET
Los JFET a menudo se describen con analogía con una manguera de agua. El flujo de agua a través de tuberías es análogo al flujo de electrones a través de canales de JFET. Apretar la tubería de agua decide la cantidad de flujo de agua. De manera similar, en el caso de los JFET, la aplicación de voltajes a través de los terminales de compuerta decide el estrechamiento o ampliación del canal para el movimiento de cargas desde la fuente al drenaje.
Cuando se aplica voltaje de polarización inversa entre la puerta y la fuente, el canal se estrecha mientras aumenta la capa de agotamiento. Este modo de operación se llama modo de pellizco. Este tipo de comportamiento del canal se representa a continuación:
Curva de características JFET
Los JFET son dispositivos en modo de agotamiento, lo que significa que operan ampliando o estrechando las capas de agotamiento. Para analizar los modos de operación completos, se aplica la siguiente disposición de polarización a través de un JFET de canal N.
Se aplican dos voltajes de polarización diferentes en los terminales JFET. VDS se aplica entre el drenaje y la fuente, mientras que VGS se aplica entre la compuerta y la fuente como se muestra en la figura anterior.
JFET operará en cuatro modos de operación diferentes, como se analiza a continuación.
1: modo óhmico
El modo óhmico es un estado normal sin ningún voltaje de polarización aplicado a través de sus terminales. Por tanto, VGS=0 en modo óhmico. La capa de agotamiento será muy delgada y JFET funcionará como un elemento óhmico, como una resistencia.
2: Modo de pellizco
En el modo de corte, se aplica suficiente voltaje de polarización a través de la puerta y la fuente. El voltaje de polarización inversa aplicado extiende la región de agotamiento al nivel máximo y, por lo tanto, el canal se comporta como un interruptor abierto que resiste el flujo de corriente.
3: Modo de saturación
El voltaje de polarización de puerta y fuente controla el flujo de corriente a través del canal de JFET. La corriente varía con el cambio en el voltaje de polarización. El voltaje de polarización de fuente y drenaje tiene un efecto insignificante en este modo.
4: Modo de avería
El voltaje de polarización de fuente y drenaje aumenta a un nivel que rompe la capa de agotamiento en el canal de JFET. Esto conduce a un flujo de corriente máximo a través del canal.
Expresiones matemáticas para parámetros JFET
En los modos de saturación, los JFET ingresan a modos de conductor donde el voltaje varía la corriente. Por lo tanto, se puede evaluar la corriente de drenaje. La expresión para evaluar la corriente de drenaje viene dada por:
El canal se ensancha o se estrecha con la aplicación de voltajes de compuerta. La resistencia del canal con respecto a la aplicación del voltaje drenaje-fuente se expresa como:
RDS también se puede calcular mediante la ganancia de transconductancia, gm:
Configuraciones de JFET
Los JFET se pueden conectar de diversas formas con los voltajes de entrada. Estas configuraciones se conocen como configuraciones de fuente común, compuerta común y drenaje común.
Configuración de fuente común
En la configuración de fuente común, la fuente de JFET está conectada a tierra y la entrada se conecta al terminal de la puerta mientras que la salida se toma del drenaje. Esta configuración ofrece funciones de amplificación de voltaje y alta impedancia de entrada. Esta configuración del modo amplificador es la más común de todas las configuraciones de JFET. La salida obtenida está desfasada 180 grados con respecto a la entrada.
Configuración de puerta común
En una configuración de puerta común, la puerta está conectada a tierra mientras la entrada está conectada a la fuente y la salida se toma del drenaje. Como la puerta está conectada a tierra, la configuración tiene una impedancia de entrada baja pero una impedancia más alta en la salida. La salida obtenida está en fase con la entrada:
Configuración de drenaje común
En un drenaje común, la entrada se conecta a la puerta mientras que la salida se conecta desde el terminal de fuente. Esta configuración también ofrece una impedancia de entrada baja y una impedancia de salida más alta, al igual que la configuración de puerta común, pero aquí la ganancia de voltaje es aproximadamente la unidad.
Esta configuración también coincide con la fuente común donde la entrada está conectada a la puerta, pero la configuración de la fuente común tiene una ganancia menor que la unidad.
Aplicación: configuración del amplificador JFET
Se puede hacer que los JFET funcionen como amplificadores de Clase A cuando el terminal de puerta está conectado con una red divisora de voltaje. Se aplica un voltaje externo a través del terminal de fuente, que en su mayoría está configurado para ser un cuarto de VDD en el circuito siguiente.
Por tanto, el voltaje de la fuente se puede expresar como:
Además, el voltaje de la fuente se puede calcular mediante la siguiente expresión:
La corriente de drenaje se puede calcular a partir de la configuración anterior como se muestra a continuación:
El voltaje de la puerta se puede obtener en función de los valores de las resistencias R1 y R2 como se indica a continuación.
Ejemplo 1: Calcular V DD
si v GS(apagado) =-8V, yo DSS =24mA para JFET en la siguiente configuración, calcule V DD como se muestra en la figura cuando R D =400.
Desde
Lo anterior será el valor mínimo de VDS para que JFET opere en una región de corriente constante, por lo tanto:
También,
Aplicando KVL en el circuito de drenaje:
Ejemplo 2: determinar el valor de la corriente de drenaje
Determine el valor de la corriente de drenaje cuando VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA para una configuración inferior a JFET.
La expresión para la corriente de drenaje es:
Conclusión
Los transistores de efecto de campo de unión son dispositivos semiconductores de tres terminales que funcionan con el comportamiento de las regiones de agotamiento en diferentes modos de operación. No tienen uniones PN, pero están formados por canales de materiales semiconductores.