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• Cesar Monsivais

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Transistor JFET El Transistor de Efecto de Campo de Unión (JFET) es un dispositivo mediante el cual se puede controlar el paso de una cierta cantidad de corriente haciendo variar una tensión, esa es la idea principal; existen 2 tipos de JFET los de canal n y los de canal p, se comentará para el caso de JFET de canal n, lo que se comente para el de canal n, es similar para el de canal p, la diferencia será el sentido de las corrientes y las tensiones sobre el JFET; constan de 3 pines, los cuales reciben los nombres de drenaje(D), compuerta(G) y fuente(S); lo que hace el JFET es controlar la cantidad de corriente que circula entre el drenaje y la fuente, esa corriente se controla mediante la tensión que exista entre la compuerta y la fuente. Un transistor JFET está formado por el semiconductor que se conecta a las terminales de fuente y drenaje. El material restante está conectado entre sí para directamente a la compuerta. Cabe señalar que en la unión tenemos una región de empobrecimiento. La polarización del JFET está en función a la diferencia de potencial entre los materiales semiconductores. Esto aumenta la región de agotamiento y regula la cantidad de corriente que circula en el canal drenaje-fuente. Una vez que el voltaje genere una región de agotamiento suficientemente grande, se tiene la condición de estrangulamiento.

En la imagen anterior se muestra un JFET de canal n, en este caso el 2N3819, se muestran los 3 pines que tiene con sus nombres, el orden va depender del JFET, se tiene que ver su hoja de datos para conocerlos.

Están fabricados con materiales semiconductores tipo n y tipo p, al igual que los diodos; la figura que sigue es una representación para comprender como están distribuidos los materiales semiconductores para el de canal n y el de canal p, y las conexiones de los pines a estos semiconductores, la figura servirá para tener una idea del comportamiento del JFET.

A partir de aquí se va a comentar para el caso del JFET de canal n, pero la idea es similar para el caso del de canal p; en la figura anterior se puede ver que para el JFET de canal n, al material semiconductor tipo n se le han conectado en extremos opuestos el drenador(D) y la fuente(S), mientras el material tipo p se conecta a la compuerta(G), se observa que hay un paso o un canal entre el drenador y la fuente, formado por el semiconductor tipo n de allí el nombre de canal n, el cual está rodeado por el material semiconductor tipo p, entre la compuerta y la fuente se forma un diodo, en el transistor JFET lo que se hace es polarizar en inversa este diodo, para el caso del JFET de canal n la tensión de polarización de dicho diodo tiene que ser negativa y a lo mucho igual a cero, se la representa como VGS (tensión compuerta fuente), lo que se logra al hacer esto es que la región de agotamiento del diodo se puede controlar variando la tensión VGS, cuando la VGS=0 la región de agotamiento del diodo será mínima y el canal n será lo mas ancho que pueda; si poco a poco la tensión VGS se hace negativa, esta hará que la región de agotamiento del diodo crezca, ya que el diodo se polariza en inversa, esto a su vez hace que el canal semiconductor se angoste, llegará un momento que la VGS sea lo suficientemente negativa que hará que la región de agotamiento sea tan grande como para que el canal semiconductor desaparezca o se cierre; a esa tensión se le conoce como tensión compuerta fuente de apagado o de corte del JFET y se representa como VGSoff.

Para polarizar un JFET de canal n, de la batería o fuente de alimentación VGG que se use entre la compuerta y la fuente se conectará su polo negativo hacia la compuerta(G) y hacia la fuente(S) su polo positivo; la batería o fuente de alimentación VDD que se conecta entre el drenaje y la fuente, es la encargada de suministrar la corriente que se controla con la VGS, VDD se conecta con su polo positivo en el drenaje(D) y el negativo a la fuente(S); si el JFET es de canal p las conexiones de las alimentaciones se inverten, tal como se ve en la imagen siguiente.

De la figura anterior se puede ver que al estar polarizado el diodo entre la compuerta y la fuente en inversa, la corriente que se aparece a través de la compuerta IG es muy pequeña, del orden de los nA, por eso se considera que IG=0, también es por este motivo que se dice que el JFET tiene una alta impedancia de entrada, propiedad que se aprovecha en los amplificadores basados en el JFET; la corriente que circula entre el drenaje y la fuente se conoce como corriente de drenaje ID, el valor de esta corriente depende del valor de la tensión VGS; como se ha visto anteriormente al hacer variar la VGS se logra que la región de agotamiento

aumente o disminuya, lo que hace que el canal por el que circula la corriente de drenaje ID disminuya o aumente, al disminuir o aumentar el canal se controla la cantidad de ID que circula por el JFET; esta es la forma que se controla la corriente por tensión con el transistor JFET. Cuando VGS=0 la región de agotamiento será mínima, en este caso si la tensión entre el drenaje y la fuente VDS se aumenta la corriente de drenaje ID aumentará también, pero llegará un momento que la corriente ID deje de aumentar por mas que se aumente la VDS, en ese momento se dice que el JFET se ha saturado (en un JFET la VDS tiene un límite que si se sobrepasa el JFET se dañará, ese valor máximo para VDS se encuentra en su hoja de datos), a esa corriente ID que ya no aumenta mas se la conoce como corriente de drenaje fuente de saturación la cual se simboliza como IDSS, es un dato muy importante característico de los JFET que se encontrará en su hoja de datos; cuando la VGS=VGSoff la corriente ID=0, como se puede ver la ID variará desde un mínimo de 0A hasta un máximo de IDSS y todo esto controlado por la VGS. Por ejemplo si se ve la hoja de datos del JFET de canal n 2N3819 se verá que VDSmáx=25V, si se pasa de este valor posiblemente se dañe el JFET, también se ve que IDSS esta entre 2mA y 20mA esto varía porque los JFET así sean de la misma familia presentan este tipo de variaciones, por ejemplo puede que un 2N3819 tenga una IDSS=5mA y en otro 2N3819 sea IDSS=14mA; para la tensión de corte es decir la VGSoff la hoja de datos dice que será como máximo -8V; en la hoja de datos también aparece un dato al que se le llama corriente compuerta fuente inversa IGSS que para este caso tiene un valor de 2nA, esta vendría a ser la corriente por la compuerta, pero como se ve es una cantidad muy pequeña, por ejemplo esta se a medido para una VGS=-15V según la hoja de datos, como se ve para una tensión de VGS=-15V se tiene IG=2nA, es de suponer que para una VGS=5V la corriente IG será mucho menor por eso se puede considerar que IG=0, con este dato se puede calcular la impedancia de entrada de este JFET sería así: Rent=Zent=|(VGS)/(ID)| Zent=|(-15V)/(2nA)| Zent=7500MΩ La siguiente es la representación simbólica de los JFET

El circuito de polarización visto anteriormente ahora con los símbolos quedaría así:

El JFET, Pruebas con el transistor jfet Una forma de familiarizarse con el JFET es haciendo pruebas, medidas en el JFET, un inicio puede ser por ejemplo mantener la tensión compuerta fuente VGS=0, luego variar la tensión drenaje fuente VDS y ver como varía la corriente de drenaje ID, lo que si hay que tener en cuenta y ver en la hoja de datos es cuál es el valor de la VDSmáx que se le puede aplicar al JFET que se esté utilizando para no dañar el transistor. El circuito que se puede utilizar es el siguiente:

Como se puede ver en el circuito propuesto la tensión VGS=0, la tensión VDS será variable del que se pueden ver sus valores con la ayuda del voltímetro, ese voltaje variable lo proporcionará la fuente de alimentación VDD, la corriente ID a través del drenaje se mide con el amperímetro, en un inicio la VDS será la mínima que proporcione VDD por ejemplo VDS1, para esta tensión se tendrá un valor de ID1, luego se aumenta la tensión poco a poco por ejemplo a VDS2 al cual le corresponderá un valor de corriente de ID2, se verá que en un principio estos

cambios son en forma lineal, es decir si VDS aumenta entonces ID aumenta en forma proporcional, esto es se cumple la ley de Ohm, en este caso se dice que el JFET se encuentra polarizado en la región ohmica; si se sigue aumentando VDS se verá que llega un momento en que la corriente ID ya no aumenta en forma lineal, si no que tiende a no cambiar o cambia muy poco por mas que se aumente el valor de VDS, en ese momento se dice que el JFET se ha saturado, esa corriente que se mida es la máxima cantidad de corriente que podrá conducir el JFET, a esa corriente se la llama corriente drenaje fuente de saturación IDSS, y a la tensión VDS a partir de la cual se ve que la corriente de drenaje ya no cambia, es decir ID=IDSS se la conoce como tensión de estrangulamiento y se simboliza como Vp, mayormente los valores obtenidos en forma experimental no coinciden de un dispositivo a otro aun sean de la misma familia, esto es normal, pero los valores obtenidos se encontrarán dentro del rango que se especifica en la hoja de datos del JFET utilizado. Después de realizar esas medidas y llevarla a un gráfico de ID vs VDS se obtendrá algo como se muestra a continuación:

Se ha visto la forma en que se puede conocer la máxima corriente IDSS que llega conducir un JFET, esa corriente obtenida ya no se puede variar una vez que se alcanzó la tensión de estrangulamiento Vp, si se aumenta VDS la corriente ya no aumentará; ahora si se deja VDS en un valor mayor que Vp pero sin pasarse de la VDSmáx que indica la hoja de datos, se puede variar la corriente de drenaje desde el máximo que es ID=IDSS hasta un mínimo que será ID=0, esto se logrará variando la VGS; para ver esto en la práctica se colocará una fuente negativa variable entre

la compuerta y la fuente, habrá que ver nuevamente la hoja de datos para no pasarse en cuanto al valor de la VGS, el circuito que se usará es el siguiente:

La tensión VGG procederá de una fuente de continua negativa, que se puede fabricar por ejemplo con el LM337T, es necesario que la fuente sea negativa porque se trata de un JFET de canal n, ya se ha comentado que la forma de polarizar la compuerta es con una tensión negativa; también se puede usar una fuente de alimentación VGG variable positiva, lo único que hay que hacer es conectar el polo positivo de VGG al común que será el negativo de VDD, y el polo negativo de VGG a la compuerta, no se provocará cortocircuito porque la impedancia de entrada del JFET será la carga de la fuente VGG, este tipo de conexiones de fuentes se ve cuando se estudia las leyes de Kirchoff. En la malla de la entrada, cuando VGS=0 la corriente del drenador será ID=IDSS, si la VGS se hace poco a poco negativa la ID empezará a disminuir, por ejemplo para un valor VGS=-VGS1 la corriente será ID=ID1, entonces la corriente de saturación cuando VGS=-VGS1 será ID1, si se sigue haciendo más negativa la VGS por ejemplo hasta VGS=-VGS2 la corriente disminuirá hasta ID=ID2, entonces cuando VGS=-VGS2 la corriente de saturación será ID2, se irá viendo que al hacer cada vez más negativa la VGS se provoca que la corriente de drenaje fuente con la cual el JFET se sature es cada vez menor, llegará un momento en que ID=0, esa VGS para cuyo valor ID=0, se le conoce como tensión compuerta fuente de corte y se le representa como VGScorte o VGSoff, el cual es un valor negativo y cuyo valor absoluto es igual a la Vp, es decir |VGSoff|=Vp; en este caso la variación de la ID vs VGS no es lineal, una vez obtenidas una cantidad de medidas y sus coordenadas se unan en un gráfico se verá que el gráfico obtenido corresponde a una parábola, de allí que se diga que el JFET es un dispositivo que obedece a una ley cuadrática; se ve que variando la VGS se logra variar la ID, en otras palabras se está controlando la cantidad de corriente que circula por el drenador ID mediante la VGS; eso es lo que hace un JFET. Hay que darse cuenta que el cambio en la corriente ID con respecto a la VGS es propia del dispositivo, no importa en qué circuito este el JFET, siempre que le llegue una tensión VGSx, a esa tensión le va corresponder una corriente IDx. la corriente

del drenaje solo depende de la tensión compuerta fuente, siempre y cuando la VDS sea mayor a Vp. En la siguiente figura se observa la gráfica que se obtiene en la entrada y a su vez como afecta esta al gráfico de salida cuando se varía la VGS, manteniendo VDS>>Vp; la parte de la gráfica de salida que corresponde a las representaciones de cómo va variando la corriente de saturación del JFET, se le llama la zona activa y es en este lugar que se debe polarizar el JFET cuando se le quiere usar como amplificador.

Se obtiene la gráfica de transferencia para el JFET 2N3819, los resultados obtenidos se representan en la siguiente figura:

Estas mismas gráficas también se pueden obtener si se deja a un valor fijo la VGS, siempre y cuando este entre la VGSoff y VGS=0, luego se puede variar la VDS desde cero hasta un valor que no se pase de VDSmáx, mientras se va aumentando el valor de VDS desde 0, se verá por ejemplo que si se deja VGS=-1V, llegará un momento en que la ID se hace constante o tiende a ser constante, y esa corriente en este caso es ID=4,7mA, lo mismo para los demás valores de VGS. Curva de transferencia del JFET. La curva que resulta de al unir los puntos que se obtienen al realizar las medidas en la malla de entrada del circuito visto en el tema anterior, se conoce como curva de transferencia o de transconductancia, esto porque se transfiere corriente ID por el drenador del JFET en este caso uno de canal n, al variar la VGS, en otras palabras sería algo así, la corriente que se circule por el drenador va a depender de la tensión que esté presente entre la compuerta y la fuente; como se ve es una curva parabólica y esa curva obedece en forma aproximada a una ecuación cuadrática, se dice aproximada porque en los circuitos con JFET reales los valores obtenidos con la ecuación muchas veces se alejan del valor medido, esta ecuación es conocida como ecuación de Shockley. Para cualquier circuito que se realice con un JFET será necesario tener a mano la curva de transferencia, algunas hojas de datos traen la curva de transferencia, pero es más útil si la obtiene uno mismo y esta se consigue con la ayuda de esa ecuación. En la figura se ve la ecuación de Schockey, con la cual se puede calcular la ID si se conoce el valor de VGS, o también se puede calcular VGS si se conoce el valor de ID, el valor de IDSS y el de VGScorte serán valores conocidos ya que se encuentran en la hoja de datos del JFET que se esté utilizando.

Ejercicio 1: En este ejercicio estudiaremos los requerimientos de polarización de un FET CanalN. El circuito a utilizar es el de la Fig. 4.

Mediremos la corriente de drenaje y la fuente de tensión de puerta según un número de fuentes de tensión de drenaje y graficaremos las características de drenaje del FET. Monte el circuito como se lo demuestra en el Diagrama de Conexiones de este ejercicio.

Asegúrese de haber montado el circuito como se lo demuestra en el Diagrama de Conexiones y de que coincida con el circuito de la siguiente figura:

Fig. 5 Circuito de Prueba de un JFET Canal-N Típico

• Configure el potenciómetro en sentido anti horario y la tensión variable en dc en cero. Alimente la fuente. • Ingrese el valor de VDS en el primer valor de la tabla y luego lea el valor de ID según cada valor de VGS. • Repita este procedimiento para todos los valores de VDS en la tabla, ingresando los valores correspondientes de ID.

Bibliografía:

https://hetpro-store.com/TUTORIALES/jfet-vs-mosfet/ http://mrelbernitutoriales.com/transistor-jfet/ https://ocw.ehu.eus/pluginfile.php/2728/mod_resource/content/1/electro_gen/teoria /tema-7-teoria.pdf