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Tema 5
Transistores de efecto de campo I (JFET)
Índice
1.
Introducción.............................................................................................................................................................................. 1
2.
Estructura y funcionamiento del JFET ........................................................................................................................... 2
2.1. Canal conductor y efecto de modulación de canal .................................................................................................... 3
2.2. Característica estática ........................................................................................................................................................... 6
2.3. Modelo de gran señal ............................................................................................................................................................ 9
3.
Polarización del transistor JFET .................................................................................................................................... 10
3.1. Configuración de polarización fija ................................................................................................................................ 11
3.2. Configuración de autopolarización............................................................................................................................... 13
3.3. Configuración de polarización mediante divisor de tensión ............................................................................. 14
1. Introducción
En los transistores de “efecto de campo” la corriente que atraviesa el dispositivo es creada por un campo
eléctrico horizontal, y controlada por un segundo campo eléctrico vertical. Existen varios tipos de este tipo
de transistores. Entre los más comunes están el JFET (Junction Field Effect Transistor, o lo que es lo mismo,
Transistor de Efecto de Campo de Unión y el MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor).
A diferencia del BJT, todos los transistores de efecto de campo pueden ser considerados como una fuente de
corriente dependiente de una tensión (Figura 1).
Figura 1: Modelo eléctrico de fuente de corriente dependiente de tensión.
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La importancia de este tipo de transistores radica en que:
-
-
-
Se consiguen altas densidades de integración. Es decir, el transistor MOS puede construirse
utilizando estructuras que ocupan muy poca área, pudiéndose incluir en circuitos integrados de
algunos centímetros cuadrados varios millones de estos dispositivos. Con los actuales procesos de
fabricación, las dimensiones mínimas que pueden tener los dispositivos integrados son inferiores a la
micra.
Bajo consumo. El transistor MOS integrado disipa potencias del orden del microwatio. Este hecho
permite que un circuito con miles de estos transistores pueda ser alimentado con baterías portátiles,
sin necesidad de cambiar éstas durante largos periodos de tiempo. Un ejemplo son las calculadoras
de bolsillo, alimentadas durante años con la misma pila y con una gran potencia computacional.
Procesos de fabricación baratos. A diferencia de las tecnologías bipolares, y debido a la simplicidad
de la estructura del transistor MOS, la tecnología de fabricación de estos últimos es más barata.
Al finalizar este capítulo, el alumno debe ser capaz de:
-
Conocer la estructura y el funcionamiento de un transistor JFET.
Comprender la relación existente entre las tensiones aplicadas entre los terminales del transistor y la
corriente que circula por ellos.
Conocer los parámetros fundamentales de catálogo de un transistor JFET.
Analizar eléctricamente un circuito compuesto por componentes elementales tales como fuentes,
resistencias, diodos y transistores JFET.
2. Estructura y funcionamiento del JFET
En la Figura 2a se representa la estructura del dispositivo, observándose la unión pn a la que hace referencia
el nombre del transistor. El transistor JFET se compone básicamente de un canal conductor de longitud L y
sección A, en la mayoría de los casos de carácter n, y dos zonas con un fuerte dopado complementario, en
este caso p+, de manera que el canal queda embutido entre ambas zonas p.
D
G
D
G
S
canal n
S
canal p
a)
b)
Figura 2: Estructura del transistor JFET de canal n y símbolos eléctricos.
Los terminales conectados en los extremos del canal se denominan “drenador” (drain) y “fuente” (source).
Las dos zonas p+ se conectan externamente a un terminal llamado “puerta” (gate). El transistor JFET es, a
diferencia del BJT, un dispositivo unipolar donde la corriente está formada prácticamente en su totalidad por
portadores mayoritarios. Su símbolo eléctrico se muestra en la figura Figura 2b.
2
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2.1. Canal conductor y efecto de modulación de canal
Para iniciar el estudio del funcionamiento del JFET se conectará el terminal de fuente a una tensión positiva
constante vS > 0, mientras que el terminal de puerta permanecerá conectado a tierra vG = 0. La tensión de
drenador, por el momento, adoptará un valor positivo tal que vD ≥ vS (vDS ≥ 0).
a)
b)
Figura 3: Polarización del JFET con VG=0 a tensiones VDS bajas a) y curva I-V b).
Con las tensiones elegidas anteriormente se tiene una unión pn inversamente polarizada para todos los
puntos del canal. La Figura 3a muestra el efecto de dicha polarización inversa. Al estar la zona p mucho más
dopada que la zona n, la región de carga espacial se extenderá prácticamente en su totalidad por la región n
(zona punteada dentro del canal). Además, como vDG ≥ vSG, la polarización inversa del canal respecto a la
puerta será más fuerte cerca del drenador que de la fuente. Debido a esto, la zona de carga espacial resulta
ser más ancha, y por tanto el canal será más estrecho, cuanto más cerca se esté del drenador.
Por otra parte, la tensión vDS ≥ 0 provocará una corriente iD que atravesará el canal, entrando por el terminal
de mayor potencial (drenador) y saliendo por el terminal de menor potencial (fuente). La corriente por la
puerta iG será nula debido a que el canal está inversamente polarizado respecto a la puerta desde un
extremo al otro, vGD < 0 y vGS < 0.
Si se parte de una tensión vD = vS (vDS = 0), conforme vaya aumentando la tensión de drenador vD (vDS > 0)
aumentará también la corriente de drenador iD. Para pequeños valores de tensión vDS, la corriente
conservará una dependencia lineal con ésta (
convencional (Figura 3b). El valor
=
=
), al igual que ocurre con una resistencia
es la resistencia del canal, donde  representa la
conductividad del material, L y A la longitud y sección trasversal del canal.
Debido a la alta concentración de impurezas donadoras la conductividad de la zona n será muy alta, por lo
que el valor de la resistencia del canal será muy bajo, proporcionando corrientes de drenador altas con
relativamente bajas tensiones entre drenador y fuente. Las curvas mostradas en estas condiciones tienen
pendientes altas tal y como se muestra en la Figura 3b.
Para pequeños valores de tensión vDS la corriente será proporcional a la tensión aplicada, pero conforme
aumenta vDS la sección del canal comienza a disminuir considerablemente (Figura 4a), provocando que la
corriente deje de ser lineal con la tensión (Figura 4b).
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a)
b)
Figura 4: Polarización del JFET con vG = 0 a tensiones vDS medias a) y curva I-V b).
Para cierto valor v’DS el canal se estrangula en las inmediaciones del drenador. A partir de un análisis de las
tensiones del dispositivo se deduce que la tensión V’DS resulta ser VP + VGS, siendo VP la tensión de la unión
pn que se corresponde a una zona de carga espacial de extensión igual a la mitad la anchura del canal (Figura
5a). Tal y como se muestra en la Figura 5b, en estas condiciones se alcanza la máxima corriente del
dispositivo IDss.
a)
b)
Figura 5: Polarización del JFET con vG = 0 a tensiones vDS medias a) y curva I-V b).
Si VDS continúa aumentando el punto de estrangulamiento del canal se desplaza, a través del canal, hacia el
terminal de fuente (Figura 6a). Como las condiciones se siguen manteniendo en ambos extremos del canal,
la tensión entre sus extremos seguirá siendo la misma (V’DS = VP + VGS), y por tanto la corriente que circula
por él también (
=
).
En la práctica, la corriente iD en saturación conservará una pequeña dependencia con la tensión vDS. Lo que
en primera aproximación resultaría ser una recta horizontal, realmente se muestra como una recta con una
suave pendiente. Este efecto se conoce como “modulación de la longitud de canal”. El ligero incremento de
corriente es debido a la disminución de la longitud del canal conforme el punto de estrangulamiento se
desplaza hacia la fuente. Esta disminución de L provoca a su vez una disminución de la resistencia de canal
RCH y como consecuencia un aumento de la corriente de saturación IDss.
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a)
b)
Figura 6: Polarización del JFET con vG = 0 a tensiones vDS medias a) y curva I-V b).
Si la tensión de drenador vD sigue aumentando se producirá la ruptura de la unión pn en las cercanías del
drenador provocando un aumento brusco de corriente que entrará por el drenador y saldrá por la puerta.
En la Figura 6b se observa la curva iD (vDS ) completa donde se diferencian 4 zonas. La primera, para pequeños
valores vDS, será la zona óhmica o lineal donde la corriente es proporcional a la tensión. La segunda será la
zona de transición, donde la corriente pierde esta linealidad obteniéndose valores menores. La tercera
corresponde a la zona de saturación, en la cual la corriente permanece prácticamente constante e
independiente de vDS. La cuarta y última es la zona de ruptura anteriormente comentada.
La curva anterior ha sido obtenida de forma cualitativa variando la tensión vD, mientras permanecían
constantes las tensiones vG y vS, y en concreto siendo vG = 0 V . Una disminución de la tensión vG aumentará
el nivel de polarización inversa de la unión pn entre la puerta y el canal, estrechando aún más el canal
conductor y provocando corrientes iD cada vez más pequeñas. El límite inferior se alcanza para un cierto
valor vGS = - VP, donde se alcanzan las condiciones de estrangulamiento del canal en el extremo de la fuente.
Por otra parte, un aumento de la tensión vG provocará el efecto contrario en la corriente. En el JFET la
tensión vGS no debe adoptar valores positivos, pues esto provocaría la polarización directa (vGS = V ) de la
unión pn y la conducción a través de la puerta. La Figura 7b muestra la familia de curvas que constituyen la
característica estática del dispositivo.
a)
b)
Figura 7: Polarización del JFET con vG < 0 a) y curva I-V b).
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2.2. Característica estática
La Figura 8 muestra las referencias de tensión y corriente de un transistor JFET de canal n, así como su
representación como bipuerta.
Figura 8: El transistor JFET como bipuerta.
Las dos características estáticas del transistor JFET de canal n, de entrada y de salida, se corresponden a las
funciones iG = 0 y iD = f(vDS ,vGS) respectivamente. En esta última se distinguen tres zonas de funcionamientos;
Zona Óhmica, de Saturación y Corte, tal y como se puede ver en la Figura 9.
Figura 9: Característica estática de salida del transistor JFET de canal n.
Sobre esta curva se definen algunos parámetros característicos:
-
-
Máxima tensión de drenador-fuente (VDS max).
Máxima tensión inversa puerta-fuente (VGS max).
Máxima tensión inversa drenador-puerta (VDG max).
Corriente de drenador máxima de saturación (IDSS). Se corresponde con la que tiene el transistor con
VGS = 0 V estando éste en saturación.
Máxima corriente de puerta en directa (IG max). El JFET trabaja normalmente con la unión puertacanal polarizada en inversa. Si es necesario polarizarla en directa, el transistor podrá soportar un
máximo de corriente de puerta.
Potencia máxima disipada Pmax , es la máxima potencia que puede disipar el transistor antes de
acabar destruido.
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La región limitada por las curvas VDS = VGS + VP, Pmax, VGS = - VP y IDSS es la zona de operación típica
del transistor cuando es utilizado como amplificador.
A continuación, se comentan las características de catálogo que ofrece el fabricante NXP
Semiconductors para sus transistores JFET de canal n BFR30. (Características cedidas por cortesía
de NXP Semiconductors).
Entre la información general que el fabricante suministra sobre el producto suele estar:
-
Tipo de dispositivo (N-channel field-effect transistor).
Número de referencia que identifica el tipo concreto de transistor del que se trata (BFR30
y BFR31).
Descripción del producto mediante un pequeño texto explicativo, una imagen o esquema
del dispositivo
Tipo de aplicación a la que suele ir destinado (Amplificación de propósito general).
Disposición de pines en el dispositivo.
En algunas hojas de características aparece un cuadro con algunas características que puedan
servirnos para descartar o seleccionarlo en una primera aproximación, como son los valores de
tensión, y corrientes máximas soportadas por el dispositivo.
Los parámetros de funcionamiento aparecen en diferentes tablas:
-
La primera de ellas incluye información básica de referencia, tal y como valores máximos
de tensión, corrientes, potencia soportados, y temperaturas de almacenamiento y
operación.
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-
En la segunda, características térmicas como las resistencias térmicas entre la unión y el
ambiente exterior.
-
Por último, características eléctricas de funcionamiento, entre las que están los valores
máximos y mínimos de los siguientes parámetros:
o Las corrientes de fuga por la puerta (IGSS).
o Corriente de drenador máxima de saturación (IDSS).
o Valores de tensión puerta-fuente (VGS) para diferentes valores de corrientes de
drenador (ID).
o Diferentes parámetros relacionados con comportamientos dinámicos como
admitancias, capacidades y ruidos asociados.
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2.3. Modelo de gran señal
Las ecuaciones que se corresponden con el funcionamiento descrito en las dos características estáticas
anteriores se muestran a continuación.
-
Característica estática de entrada:
=0
-
Característica estática de salida:
≤−
=0
<
>−
+
Óℎ
=
·
ó
>
+
ó
=
· 1+
1+
La primera característica refleja la ausencia de corriente de puerta en condiciones normales de operación del
transistor, mientras que la segunda es más compleja y muestra las tres zonas permitidas de funcionamiento
descritas anteriormente.
En la zona óhmica el transistor se comporta como una conductancia (o resistencia) controlada por la tensión
VGS. La pendiente de las curvas en esta zona disminuye
cuanto más negativa es la tensión aplicada entre puerta y fuente. Una primera aproximación de la
resistencia que ofrece el canal conductor viene dada por la siguiente ecuación, donde R0 es la resistencia con
VGS = 0 V y rd es la resistencia para un valor determinado de VGS.
=
1
=
1+
El JFET en zona óhmica es usado en aplicaciones donde se requiere una resistencia controlada por tensión,
como es el caso del control automático de ganancia en amplificadores.
El comportamiento del transistor en la zona de saturación viene determinado por la Ecuación de Shockley
=
· 1+
y muestra en primera aproximación una relación cuadrática entre la tensión VGS y la corriente de drenador ID.
El término de modulación de la longitud de canal VDS suele ser mucho menor que la unidad en la mayoría
de los dispositivos, por lo que las curvas en la región de saturación se convierten en rectas horizontales.
9
Óh
m
ica
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Figura 10: Característica simplificada de un transistor JFET de canal n con IDSS = 10 mA y VP = 8 V.
En la Figura 10 Se representan las curvas características correspondientes a un transistor de canal n con
corriente máxima de saturación IDSS = 10 mA y tensión de estrangulamiento VP = 8 V, donde la región de
saturación se ha simplificado eliminando la influencia de la modulación de la longitud de canal.
3. Polarización del transistor JFET
Los circuitos de polarización del JFET son los encargados de establecer un conjunto de tensiones VGS, VDS y de
corrientes IG, ID en el transistor. En la mayoría de las aplicaciones se polariza el transistor en la zona de
saturación, por lo que la corriente ID dependerá únicamente de la tensión de puerta-fuente VGS.
Figura 11: Característica de saturación de un transistor JFET de canal n con IDSS = 10 mA y VP = 8 V.
Si el circuito de polarización proporciona unas corrientes y tensiones que garantizan que VDS > VGS + VP,
entonces la corriente de drenador ID y la tensión VGS estarán relacionadas de forma unívoca por la ecuación
de Schockley. En la Figura 11 aparece la característica de saturación del transistor anterior, resultado de
aplicarle una determinada polarización.
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3.1. Configuración de polarización fija
Existen diversos tipos de configuraciones utilizadas para polarizar el transistor JFET. La más sencilla de todos
es la conocida por configuración de “Polarización Fija”. En ella se fijan directamente las tensiones de puerta
VG y fuente VS mediante fuentes de tensiones independientes, de forma que la tensión VGS es conocida
desde un primer momento. La Figura 12 muestra un circuito con este tipo de configuración.
Figura 12: Circuito de polarización fija de un transistor JFET.
Dado que la corriente de puerta es nula, la tensión de la resistencia Rg es cero y la tensión en la puerta del
transistor resulta ser VG = - V1. Al estar conectada la fuente directamente a tierra su tensión será VS = 0V, por
lo que la tensión puerta-fuente será VGS = - V1.
Si partimos de la suposición de que el transistor se encuentra en saturación, el valor de la corriente de
drenador dependerá exclusivamente de la tensión de la fuente V1 y de los parámetros de funcionamiento
del transistor, mientras que en la tensión VDS influirá también la tensión VCC y la resistencia de drenador RD.
=
· 1+
=
−
−
·
Figura 13: Resultado de la polarización fija de un JFET.
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Dado que la tensión VGS es constante e igual a – V1, el punto de funcionamiento del transistor A se puede
representar gráficamente en este caso como la intersección de la característica de saturación con una recta
vertical en VGS = - V1 (Figura 12). Los resultados anteriores serán válidos mientras se cumpla que el transistor
esté en saturación. Es decir,
>
+
O lo que es lo mismo:
−
·
· 1+
−
>−
+
Como se aprecia en la Figura 14, un aumento del valor de tensión de la fuente V1 produciría una disminución
de la corriente de drenador ID, obteniéndose un nuevo punto de funcionamiento (B).
Figura 14: Resultado de un aumento de tensión V1 en la polarización fija de un JFET.
En ese caso, las condiciones de saturación se acentuarían, ya que el término izquierdo de la desigualdad
aumentaría al aumentar la tensión VDS, mientras que el término derecho disminuiría al hacerse VGS más
negativo.
Razonando de forma similar se deduce que una disminución del valor de tensión de la fuente V1 produciría
un aumento de la corriente de drenador ID y, como consecuencia, una disminución de la tensión VDS. La
máxima corriente IDSS se alcanzaría con VGS = 0 V, pero puede darse el caso de que la máxima corriente
admisible sea menor que ese valor, porque deje de cumplirse las condiciones de saturación del dispositivo.
Esto ocurrirá para una tensión V1 tal que
=
−
·
· 1+
+
−
=−
+
Cualquier cambio en el resto de los parámetros del circuito (RD, VCC) no afectan directamente al punto de
funcionamiento del transistor siempre y cuando se siga manteniendo la condición de saturación.
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3.2. Configuración de autopolarización
En esta configuración el terminal de puerta se conecta a tierra y VG = 0 V. La conexión de la fuente a tierra se
hace mediante una resistencia RS por lo que, gracias a la corriente ID que la atraviesa, hace aparecer en el
terminal de fuente una tensión positiva, VS > 0. De esta forma no es necesario una fuente adicional para
conseguir una tensión VGS negativa.
Figura 15: Circuito de autopolarización de un transistor JFET.
Analizando la malla de la izquierda, y teniendo en cuenta que IG = 0, se obtiene la siguiente relación
=−
·
Por otra parte, se sigue cumpliendo que
=
· 1+
Es decir que VGS e ID están unívocamente relacionadas mediante las ecuaciones anteriores. Esta relación se
representa gráficamente en la Figura 16, donde la curva de saturación corta en el punto A a la recta
=− 1
·
Figura 16: Resultado de la autopolarización de un JFET.
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El punto de funcionamiento A puede ser modificado variando la resistencia RS, de forma que un aumento de
su valor lo desplaza hacia el punto B, disminuyendo la corriente del transistor ID y aumentando su tensión VGS
(Figura 17).
Figura 17: Resultado de un aumento de la resistencia de fuente RS en la autopolarización de un JFET.
3.3. Configuración de polarización mediante divisor de tensión
Esta configuración deriva de la anterior a partir de la cual se ha conectado el terminal de puerta a un divisor
resistivo de tensión alimentado por la misma fuente Vcc (Figura 18). El valor de la tensión de puerta VG es
1=
1
·
1+ 2
Figura 18: Circuito de polarización de un transistor JFET mediante divisor de tensión.
Mientras que para la tensión entre puerta y fuente VGS se tiene
= 1−
= 1−
·
La Figura 19 muestra el corte de la nueva recta, dada por la ecuación
=− 1
·
+1
· 1
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Figura 19: Resultado de la polarización de un JFET mediante divisor de tensión.
Donde los puntos de corte de la recta con los ejes X e Y tienen las coordenadas (V1 , 0) y (0 , 1
).
En este caso hay varias alternativas para modificar el punto de funcionamiento A ya que tanto una variación
de la resistencia RS como de las resistencias del divisor de tensión R1 y R2, o la tensión de alimentación Vcc
influye directamente en el punto de polarización.
En la Figura 20 se muestra el efecto de un aumento de la resistencia de fuente RS en el comportamiento del
transistor. Como en el caso anterior, la consecuencia directa es la disminución de la pendiente de la recta, y
por tanto la disminución de la corriente de polarización IDQ y el aumento de la tensión de polarización VGSQ.
Figura 20: Resultado de un aumento de la resistencia de fuente RS en la polarización de un JFET mediante
divisor de tensión.
Por otra parte, la variación de las resistencias R1, R2 o de la tensión Vcc afecta exclusivamente al punto de
corte con el eje X (0 , V1). En la Figura 21 se muestra cómo influye el desplazamiento de este punto sobre el
estado de polarización del transistor. La disminución de la tensión de puerta V1 mostrada en la figura puede
ser el resultado de una disminución de R1, un aumento de R2, o de una disminución de la tensión de
alimentación Vcc, tal y como se deduce de la ecuación.
1=
1
·
1+ 2
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Figura 21: Resultado de una disminución de la tensión de puerta V1 en la polarización de un JFET mediante
divisor de tensión.
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