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• Marx Cortes

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JFET TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO

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El JFET (transistor de efecto de campo de unión) es un tipo de FET que opera con una unión pn polarizada en inversa para controlar corriente en un canal. Según su estructura, los JFET caen dentro de cualquiera de dos categorías, de canal n o de canal p.

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La figura 1(a) muestra la estructura básica de un JFET de canal n (transistor de efecto de campo de unión). Cada extremo del canal n tiene una terminal; el drenaje se encuentra en el extremo superior y la fuente en el inferior. Se difunden dos regiones tipo p en el material tipo n para formar un canal y ambos tipos de regiones p se conectan a la terminal de la compuerta

FIGURA 1

Transistores de efecto de campo de unión (JFET) Contactos óhmicos Drenador D Región de agotamiento

p

n

p

Fuente S

Puerta G

Transistor de efecto campo de unión (JFET) Puerta

Fuente

Drenador

Operación básica 

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Para ilustrar la operación de un JFET, la figura 3 muestra los voltajes de polarización de cd aplicados a un dispositivo de canal n. VDD genera un voltaje entre el drenaje y la fuente y suministra corriente del drenaje a la fuente. VGG establece el voltaje de polarización en inversa entre la compuerta y la fuente, como se muestra.

FIGURA 3

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El JFET siempre opera con la unión pn de compuerta-fuente polarizada en inversa. La polarización en inversa de la unión de compuerta-fuente con voltaje negativo en la compuerta produce una región de empobrecimiento a lo largo de la unión pn, la cual se extiende hacia el canal n, y por lo tanto, incrementa su resistencia al restringir el ancho del canal.

Símbolos de JFET 

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Los símbolos esquemáticos tanto para los JFET de canal n como de canal p se muestran en la figura 7. Observe que la flecha en la compuerta señala la “entrada” del canal n y la salida” del canal p.

FIGURA 7

CARACTERÍSTICAS Y PARÁMETROS DEL JFET 

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El JFET opera como un dispositivo de corriente constante controlado por voltaje. En esta sección se abordan el corte y el estrangulamiento, así como las características de transferencia del JFET.

Considere el caso en que el voltaje entre la compuerta y la fuente es cero (VGS = 0V). Esto se produce poniendo en cortocircuito la compuerta con la fuente, como en la figura 8(a) cuando ambas se conectan a tierra. A medida que VDD (y por lo tanto VDS) se incrementa a partir de 0 V, ID lo hará proporcionalmente, como muestra la gráfica de la figura 8(b) entre los puntos A y B.

FIGURA 8

Voltaje de estrangulamiento 

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Con VGS = 0, el valor de VDS al cual ID se vuelve esencialmente constante [el punto B sobre la curva mostrada en la figura 8(b)] es el voltaje de estrangulamiento, Vp. Para un JFET dado, Vp tiene un valor fijo. Como se puede ver, un incremento continuo de VDS por encima del voltaje de estrangulamiento produce una corriente casi constante en el drenaje. Este valor de la corriente en el drenaje es IDSS ( Drenaje a fuente con la compuerta en cortocircuito) y siempre viene especificada en las hojas de datos de los JFET. IDSS es la corriente máxima en el drenaje que un JFET específico es capaz de producir sin importar el circuito externo y siempre se especifica en la condición, VGS = 0 V.

Ruptura 

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Como se muestra en la gráfica de la figura 8(b), la ruptura ocurre en el punto C cuando ID comienza a incrementarse muy rápido con cualquier incremento adicional de VDS. La ruptura puede dañar irreversiblemente el dispositivo, así que los JFET siempre se operan por debajo de la ruptura y dentro de la región activa, (corriente constante), (entre los puntos B y C en la gráfica).

VGS controla a ID 

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Conéctese un voltaje de polarización, VGG, de la compuerta a la fuente, como se muestra en la figura 9(a). A medida que VGS se ajusta a valores cada vez más negativos al ajustar VGG, se produce una familia de curvas características del drenaje, como muestra la figura 9(b)

FIGURA 9

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Observe que ID se reduce a medida que se incrementa la magnitud de VGS a valores negativos más grandes debido al estrechamiento del canal. Observe también que, con cada incremento de VGS, el JFET llega al punto de estrangulamiento (donde comienza la corriente constante) con valores de VDS menores que Vp. El término estrangulamiento no es el mismo que voltaje de estrangulamiento, Vp. Por consiguiente, VGS controla la cantidad de corriente en el drenaje, como ilustra la figura 10.

FIGURA 10

Voltaje de corte 

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El valor de VGS que hace que ID sea aproximadamente cero es el voltaje de corte. VGS(off), como muestra la figura 10(d). El JFET debe operar entre VGS = 0 V y VGS(off). Con este intervalo de voltajes de compuerta a fuente, ID varía desde un máximo de IDSS hasta un mínimo de casi cero. Como se ha visto, para un JFET de canal n, mientras más negativo es VGS, más pequeña llega a ser ID en la región activa. Cuando VGS tiene un valor negativo suficientemente grande, ID se reduce a cero. El estrechamiento de la región de empobrecimiento provoca este efecto de corte hasta un punto donde el canal se cierra por completo, como muestra la figura 11.

FIGURA 11

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La operación básica de un JFET de canal p es igual a la de un dispositivo de canal n excepto, porque un JFET de canal p requiere un VDD negativo y un VGS positivo, como ilustra la figura 12.

EJEMPLO 1 

Para el JFET mostrado en la figura 13, VGS(corte) =-4 V e IDSS = 12 mA. Determine el valor mínimo de VDD requerido para situar el dispositivo en la región de operación de corriente constante cuando VGS = 0 V.

Característica de transferencia universal de un JFET 

La figura 14 es una curva de característica de transferencia que ilustra gráficamente la relación entre VGS e ID. Esta curva también se conoce como curva de transconductancia

FIGURA 14

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La curva de característica de transferencia también puede desarrollarse a partir de las curvas de la característica de drenaje graficando los valores de ID correspondientes a los valores de VGS tomados de la familia de curvas de drenaje en el punto de estrangulamiento, como ilustra la figura 15 para un conjunto específico de curvas. Cada punto sobre la curva de característica de transferencia corresponde a valores específicos de VGS e ID en las curvas del drenaje.

FIGURA 15

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Con la ecuación anterior, ID puede determinarse para cualquier VGS si VGS (corte) e IDSS se conocen. En general, estas cantidades se encuentran en la hoja de datos de un JFET dado. Observe el término elevado al cuadrado en la ecuación. Debido a su forma, una relación parabólica se conoce como ley cuadrática, de ahí que los JFET y los MOSFET también se conozcan como dispositivos de ley cuadrática.

EJEMPLO 2 

La hoja de datos parcial para un JFET 2N5459 indica que en general IDSS = mA y VGS (corte) =- V (máximo). Con estos valores, determine la corriente en el drenaje con VGS = 0 V, -1 V y -4 V.

Transconductancia en directa de un JFET 

La transconductancia en directa (conductancia de transferencia), gm, es el cambio de la corriente en el drenaje (ΔID) correspondiente a un cambio dado del voltaje entre compuerta y fuente (ΔVGS) con el voltaje entre drenaje y fuente constante. Se expresa como un cociente y su unidad es el siemens (S).

Debido a que la curva de transferencia de un JFET no es lineal, gm cambia de valor de acuerdo con la ubicación en la curva determinada por VGS. El valor de gm es más grande cerca del extremo superior de la curva (cerca de VGS = 0) que cerca del extremo inferior (casi VGS(corte)), como ilustra la figura 16.

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Una hoja de datos normalmente da el valor de gm medido con VGS = 0 V (gm0). Por ejemplo, la hoja de datos del JFET 2N5457 especifica una gm0 mínima de 1000 μmhos (el mho es la misma unidad que el siemens (S) con VDS = 15 V. Dada gm0, se puede calcular un valor aproximado para gm en cualquier punto sobre la curva característica de transferencia con la fórmula siguiente:

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Otras designaciones comunes para este parámetro son gfs y yfs (admitancia de transferencia en directa)

EJEMPLO 3 

La hoja técnica para un JFET 2N5457: en general, IDSS = 3.0 mA, VGS(corte) =-6 V máximo y gfs(máx) = 5000 μS. Con estos valores, determine la transconductancia en directa con VGS =-4 V y localice ID en este punto.