En este tutorial, aprenderá sobre una variante de los transistores de efecto de campo (FET), también conocidos como transistores de efecto de campo de unión, o JFET para abreviar. Puede ver símbolos de circuitos, condiciones de polarización básicas, características VI, circuitos amplificadores simples y algunas aplicaciones.
Tabla de contenido
Introducción
Los transistores FET son dispositivos de control de voltaje, mientras que los transistores BJT son dispositivos de control de corriente. Los transistores FET tienen tres terminales que corresponden esencialmente a los terminales colector, emisor y base de sus transistores BJT: drenaje (D), fuente (S) y puerta (G).
En los transistores BJT, la corriente de salida está controlada por la corriente de entrada aplicada a la base, mientras que en los transistores FET, la corriente de salida está controlada por el voltaje de entrada aplicado a los terminales de la puerta.
En los transistores FET, la corriente de salida pasa entre el drenaje y los terminales de la fuente, y esta ruta se denomina canal, y este canal puede estar hecho de materiales semiconductores de tipo P o tipo N. En los transistores BJT, una pequeña corriente de entrada acciona una gran carga, mientras que en un FET, un pequeño voltaje de entrada opera una gran carga en la salida.
Los transistores BJT son dispositivos “bipolares” porque funcionan como dos tipos de portadores de carga: electrones y huecos, mientras que los transistores FET son dispositivos “unipolares” porque actúan como portadores de carga para electrones (en el caso de los canales N) o huecos (en el caso de los canales P).
Los transistores FET se pueden hacer más pequeños en tamaño en comparación con los transistores BJT, y también pierden menos potencia. Debido a su alta eficiencia, los transistores FET se utilizan en muchas aplicaciones de circuitos electrónicos, reemplazando a sus contrapartes BJT. Estos transistores FET son muy útiles en el diseño de chips debido a su bajo comportamiento de consumo de energía. Al igual que los BJT, los transistores FET se pueden utilizar tanto en los canales P como en los N.
Los transistores FET tienen un BJT relativamente bajo mientras que una impedancia de entrada alta. Debido a este alto valor de impedancia, los transistores FET son muy sensibles a pequeños voltajes de entrada. Los transistores FET se clasifican principalmente en dos tipos: Se trata de los transistores de efecto de campo de unión (JFET) y los FET de puerta aislada (IG-FET) o los FET semiconductores de óxido metálico (MOSFET).
Transistores de efecto de campo de unión (JFET)
Los transistores de efecto de campo de unión (JFET) son uno de los tipos de transistores FET. Los JFET son la forma más simple de transistores FET y tienen tres terminales. Los transistores JFET se utilizan como interruptores de control electrónico, resistencias controladas por voltaje y amplificadores.
Los transistores BJT están construidos con uniones PN, mientras que los transistores JFET tienen canales en lugar de uniones PN. Estos canales se forman debido a materiales semiconductores de tipo P o tipo N.
Los transistores JFET se clasifican en dos tipos: JFET de canal N y JFET de canal P. En un JFET de canal N, el canal está dopado con impurezas del donante. Debido a esto, la corriente que pasa a través del canal es negativa (es decir, debido a los electrones), pero en el canal P JFET, el canal está dopado con impurezas del receptor. Debido a esto, la corriente que fluye a través de este canal es positiva (es decir, debido a agujeros).
Los JFET de canal N tienen más conducción de corriente que los JFET de canal P porque la movilidad de los electrones es mayor que la de los huecos. Por lo tanto, los JFET de canal N se utilizan más ampliamente que los JFET de canal P. Un pequeño voltaje en el terminal de la puerta (G) controla el flujo de corriente en los canales (entre el drenaje y la fuente) del JFET.
Los terminales del emisor y del colector se conectan mediante uniones PN en los BJT, mientras que en los JFET, los terminales de drenaje y fuente están conectados a los canales. Un pequeño voltaje aplicado a los terminales de la puerta controla el flujo de corriente en el canal entre el drenaje del JFET y la fuente. Este voltaje de puerta es negativo en el JFET de canal N y positivo en el JFET de canal P.
Una de las principales diferencias entre los transistores BJT y JFET es que cuando el JFET tiene una unión de polarización inversa, la corriente de puerta puede ser cero, mientras que en un BJT, la corriente base siempre debe ser mayor que cero. En la siguiente figura se muestra una comparación de los símbolos de BJT y JFET.
Polarización JFET de canal N
El diagrama interno de un transistor JFET de canal N es el siguiente: Se trata de un transistor con material en el canal de tipo N y en la región de tipo P. Cuando la puerta se difunde en el canal de tipo N, se forma una unión PN de polarización inversa, lo que da como resultado una zona de agotamiento alrededor del terminal de la puerta cuando no se aplica suministro externo al transistor. En general, los JFET se denominan dispositivos de modo de agotamiento.
Esta área de confinamiento crea una pendiente potencial basada en el cambio de espesor alrededor de la unión PN. Esta unión PN reduce el ancho del canal y aumenta la resistencia del canal, oponiéndose así al flujo de corriente a través del canal.
Los canales de los JFET ahora se conducen con voltaje de polarización cero aplicado como entradas. Esto se debe a una gran parte de la zona de privación formada entre el desagüe de la compuerta y una pequeña porción de la zona de privación entre la compuerta y la fuente.
Si se trata de una tensión pequeña (VSS) aplicado entre fuentes de drenaje con una tensión de compuerta de 0 (VG) siguiente corriente (ISS) fluye a través de este canal. Ahora una pequeña cantidad de voltaje negativo (-VGS) (es decir, condición de polarización inversa), la anchura de la zona de agotamiento aumenta, lo que da lugar a una disminución de la parte de la longitud del canal y a una disminución de la conducción del canal.
Este proceso se denomina “efecto de exprimición”. Si aumenta el voltaje en más negativo en el terminal de la puerta, el ancho del canal disminuirá hasta que no fluya corriente a través del canal. Ahora, en este estado, se dice que los JFET están “pellizcados”. El voltaje aplicado al que se cierra el canal del FET se define como el “voltaje de pellizco (VP)”.
Efecto de pellizco
El JFET en la estructura del canal N es el anterior. Principalmente, si el voltaje de la puerta es cero, la resistencia del canal también es cero y la conducción del canal es alta. Cuando el voltaje de la puerta (es decir, el voltaje negativo) aumenta por encima de cero, la resistencia en el canal también aumenta y una pequeña cantidad de corriente fluye a través del canal.
Cuando se aplica una gran cantidad de voltaje negativo a los terminales de la puerta, el canal bloquea completamente el flujo de corriente a través de ellos. En este estado, no fluye corriente a través del canal, y el JFET ahora funciona con una resistencia perfecta.
En los JFET, el estado en el que se cierra el canal se denomina “pellizco”, y en esta situación, el voltaje aplicado a la puerta se denomina “voltaje de pellizco (VP)”. En el estado de pellizco, la tensión de la puerta (VGS) controla la corriente del canal. El funcionamiento de los JFET de canal P es el mismo que el de los JFET de canal N, pero debido a la conducción debido a los agujeros, la corriente del canal es positiva y se requiere polaridad inversa para aplicar el voltaje de la puerta.
Características del JFET V-I
Las características VI de un JFET de canal N son las siguientes: En esta estructura JFET de canal N, el voltaje de la puerta (VGS) controla el flujo de corriente entre los drenajes de la fuente. Los JFET son dispositivos de control de voltaje, por lo que no fluye corriente a través de la puerta y la corriente de la fuente (IS) es la corriente de drenaje (ID), es decir, yoD = IS.
En esta característica V-I, la tensión VGS Indica la tensión aplicada entre la compuerta y la fuente y la tensión V.SS Indica el voltaje aplicado entre el drenaje y la fuente.
Los JFET tienen diferentes canales. A continuación se describen las características de los JFET en diferentes etapas de funcionamiento en función de la tensión de entrada, así como en diferentes zonas. Principalmente, los JFET operan en las áreas de óhmico, saturación, bloqueo y falla.
Área óhmica: Si VGS Si = 0, entonces la zona de escape del canal es muy pequeña y, en esta área, el JFET actúa como una resistencia controlada por voltaje.
Área pellizcada: Esto también se conoce como zona de bloqueo. Los JFET ingresan a esta región cuando el voltaje de la puerta es negativo y la corriente fluye a través del canal i.e.no el canal se cierra.
Saturación o zona activa: En esta región, el canal se basa en la tensión de la puerta (VGS).
Área de desglose: Voltaje de drenaje a fuente (VSS) es lo suficientemente alto, el canal del JFET falla y la corriente máxima no controlada en esta área pasa a través del dispositivo.
La curva característica V-I de un transistor JFET de canal P es una puerta (VGS) aumenta a un número positivo y la corriente de drenaje disminuye.
Corriente de drenaje ID Lo que fluye a través del canal es cero cuando se aplica el voltaje V.GS El voltaje de pellizco es igual a V.P. Tensión de compuerta aplicada V en el funcionamiento normal del JFETGS Está entre 0 y V.P, en este caso, la corriente de drenaje ID El flujo a través de un canal se puede calcular de la siguiente manera:
Soy yoD = IVELOZ (1-(VGS/VP))2
Dónde es
Soy yoD = Corriente de drenaje
Soy yoVELOZ = Corriente de saturación máxima
VGS = Voltaje de la fuente de puerta
VP = Tensión de pellizco
La resistencia de la fuente de drenaje es igual a la relación entre la tasa de cambio de la tensión de la fuente de drenaje y la tasa de cambio de la corriente de drenaje.
RSS = Δ VSS/ Δ ID = 1/gm
Dónde es
RSS = Resistencia a la fuente de drenaje
VSS = Voltaje de la fuente de drenaje
Soy yoD = Corriente de drenaje
Gm= Ganancia de transconductancia
Amplificadores de fuente común JFET
Al igual que los transistores BJT, los transistores FET también se utilizan en diseños de amplificadores de clase A de una sola etapa. El amplificador de fuente común de los JFET es similar al amplificador de emisor común de los transistores BJT. La ventaja de los JFET sobre los BJT es su alta impedancia de entrada.
Circuito amplificador de fuente común con red de polarización formada por la resistencia R1 y R2 Se presentan a continuación.
Este es un circuito amplificador de fuente común que está polarizado en modo Clase A. La tensión de compuerta requerida se calcula utilizando RS Normalmente, el voltaje de la resistencia de la fuente se establece en un cuarto de VDD Diddy es decir, VS = VDD Diddy/4. La tensión de espera de CC debe ajustarse seleccionando adecuadamente la resistencia R.1 y R2.
Aquí, la corriente de drenaje está controlada por el voltaje negativo de la puerta. En los transistores JFET de canal N, la puerta no contiene un voltaje positivo porque la corriente de drenaje no pasa a través de la fuente sino a través de la puerta y el JFET está dañado.
Si se invierte la polaridad del voltaje, el funcionamiento del circuito amplificador JFET de canal P también será similar al del JFET de canal N. La ecuación para calcular los diversos parámetros de un circuito amplificador de fuente común es la siguiente:
VS = ID RS = VDD Diddy/4
VS = VG – VGS
VG = (R2/(r1+R2))*VDD Diddy
Soy yoD = VS-RS = (VG – VGS)/RS
Dónde es
VS = Voltaje de la fuente
Soy yoD = Corriente de drenaje
RS = Resistencia de la fuente
VDD Diddy = Tensión de alimentación en el drenaje
VG = Voltaje de la puerta
VGS = Voltaje de la fuente de puerta
R1 & R2 = Resistencia a Biersing
Aplicaciones JFET
- Los JFET se utilizan como interruptores.
- Los JFET se utilizan como helicópteros.
- Se utiliza como amplificador.
- Se utiliza como búfer.
- Debido a su deriva de baja frecuencia, se utiliza en circuitos oscilantes.
- Debido a su pequeño tamaño, se utilizan en circuitos digitales como computadoras, LCD y circuitos de memoria.
- Debido a su baja distorsión de modulación, se utiliza en equipos de telecomunicaciones como receptores de FM y TV.
- Se utiliza en amplificadores operacionales como una resistencia controlada por voltaje.
- Los JFET se utilizan en amplificadores en cascada y amplificadores de RF.
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