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Transistor de efecto de campo de unión o tutorial JFET

Transistores

En el Transistor de unión bipolar tutoriales, vimos que el colector de salidala corriente del transistor es proporcional a la corriente de entrada que fluye hacia el terminal base del dispositivo, por lo que el transistor bipolar se convierte en un dispositivo "ACTUAL" (modelo Beta), ya que se puede usar una corriente más pequeña para cambiar una corriente de carga mayor.

los Transistor de efecto de campo, o simplemente FET Sin embargo, utiliza el voltaje que se aplica asu terminal de entrada, llamada la Puerta para controlar la corriente que fluye a través de ellos, lo que resulta en que la corriente de salida sea proporcional a la tensión de entrada. Como su operación se basa en un campo eléctrico (de ahí el nombre del efecto de campo) generado por el voltaje de la puerta de entrada, esto hace que el Transistor de efecto de campo Un dispositivo operado por “VOLTAJE”.

Transistor de efecto de campo
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Efecto de campo típico
Transistor

los Transistor de efecto de campo es un dispositivo semiconductor unipolar de tres terminales que tiene características muy similares a las de sus Transistor bipolar contrapartes Por ejemplo, alta eficiencia, operación instantánea, robusta y económica, y puede usarse en la mayoría de las aplicaciones de circuitos electrónicos para reemplazar a sus primos equivalentes transistores de unión bipolar (BJT).

Los transistores de efecto de campo se pueden hacer mucho más pequeños.que un transistor BJT equivalente y, junto con su bajo consumo de energía y disipación de energía, los hace ideales para su uso en circuitos integrados como la gama de chips lógicos digitales CMOS.

Recordamos de los tutoriales anteriores queExisten dos tipos básicos de construcción de transistor bipolar, NPN y PNP, que básicamente describen la disposición física de los materiales semiconductores de tipo P y tipo N a partir de los cuales se fabrican. Esto también se aplica a los FET, ya que también hay dos clasificaciones básicas de Transistor de efecto de campo, llamado FET de canal N y FET de canal P.

El transistor de efecto de campo es un terminal de tresDispositivo que se construye sin uniones PN en la ruta principal de transporte de corriente entre los terminales de Drain y Source. Estos terminales corresponden en función al colector y al emisor, respectivamente, del transistor bipolar. La ruta actual entre estos dos terminales se denomina "canal" y puede estar hecha de un material semiconductor de tipo P o de tipo N.

El control de la corriente que fluye en este canal esSe logra variando el voltaje aplicado a la puerta. Como su nombre lo indica, los transistores bipolares son dispositivos "bipolares" porque operan con ambos tipos de portadores de carga, agujeros y electrones. El Transistor de efecto de campo, por otro lado, es un dispositivo "Unipolar" que depende solo de la conducción de electrones (canal N) o de agujeros (canal P).

los Transistor de efecto de campo tiene una gran ventaja sobre sus primos transistores bipolares estándar, en que su impedancia de entrada, (REN ) es muy alto, (miles de ohmios), mientras que elBJT es comparativamente bajo. Esta muy alta impedancia de entrada los hace muy sensibles a las señales de voltaje de entrada, pero el precio de esta alta sensibilidad también significa que pueden ser fácilmente dañados por la electricidad estática.

Hay dos tipos principales de transistor de efecto de campo, el Transistor de efecto de campo de unión o JFET y el Transistor de efecto de campo de puerta aislada o IGFET), que es más comúnmente conocido como el estándar Transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal o MOSFET para abreviar.

El transistor de efecto de campo de unión

Anteriormente vimos que un transistor de unión bipolar se construye utilizando dos uniones PN en la ruta principal de transporte de corriente entre el Emisor y los terminales del colector. los Transistor de efecto de campo de unión (JUGFET o JFET) no tiene uniones PN, sino quetiene una pieza estrecha de material semiconductor de alta resistividad que forma un "Canal" de silicio tipo N o tipo P para que la mayoría de los portadores fluyan con dos conexiones eléctricas óhmicas en cada extremo comúnmente denominadas Drain y Source respectivamente.

Hay dos configuraciones básicas de unión.transistor de efecto de campo, el JFET de canal N y el JFET de canal P. El canal JFET del canal N está dopado con impurezas del donante, lo que significa que el flujo de corriente a través del canal es negativo (de ahí el término canal N) en forma de electrones.

Asimismo, el canal JFET del canal P está dopado.con impurezas aceptoras, lo que significa que el flujo de corriente a través del canal es positivo (de ahí el término canal P) en forma de agujeros. Los JFET de canal N tienen una conductividad de canal mayor (menor resistencia) que sus tipos de canal P equivalentes, ya que los electrones tienen una mayor movilidad a través de un conductor en comparación con los orificios. Esto hace que el JFET de canal N sea un conductor más eficiente en comparación con sus homólogos de canal P.

Hemos dicho previamente que hay dos ohmios.Conexiones eléctricas en cada extremo del canal llamado el Drenaje y la Fuente. Pero dentro de este canal hay una tercera conexión eléctrica que se llama el terminal de la puerta y esto también puede ser un material tipo P o tipo N que forma una unión PN con el canal principal.

La relación entre las conexiones de un transistor de efecto de campo de unión y un transistor de unión bipolar se comparan a continuación.

Comparación de conexiones entre un JFET y un BJT

Transistor Bipolar (BJT) Transistor de efecto de campo (FET)
Emisor - (E) >> Fuente - (S)
Base - (B) >> Puerta - (G)
Colector - (C) >> Drenaje - (D)

Los símbolos y la construcción básica para ambas configuraciones de JFET se muestran a continuación.

símbolo de transistor de efecto de campo de unión

El “canal” semiconductor de la Transistor de efecto de campo de unión Es un camino resistivo a través del cual una tensión VDS causa una corriente Ire para fluir y como tal el efecto de campo de uniónEl transistor puede conducir la corriente igualmente bien en cualquier dirección. Como el canal es de naturaleza resistiva, se forma un gradiente de voltaje a lo largo del canal, y este voltaje se vuelve menos positivo a medida que pasamos del terminal de drenaje al terminal de origen.

El resultado es que la unión PN, por lo tanto, tieneuna alta polarización inversa en el terminal de drenaje y una menor polarización inversa en la terminal de origen. Este sesgo hace que se forme una "capa de agotamiento" dentro del canal y cuyo ancho aumenta con el sesgo.

La magnitud de la corriente que fluye a través delel canal entre los terminales de drenaje y fuente se controla mediante un voltaje aplicado al terminal de puerta, que está polarizado en sentido inverso. En un JFET de canal N, esta tensión de la compuerta es negativa, mientras que para un JFET de canal P la tensión de la compuerta es positiva.

La principal diferencia entre el JFET y un BJT.El dispositivo es que cuando la unión JFET tiene polarización inversa, la corriente de la compuerta es prácticamente cero, mientras que la corriente base del BJT es siempre un valor mayor que cero.

Biasing de un JFET de canal N

Transistor de efecto de campo de unión modo de agotamiento

El diagrama de la sección transversal de arriba muestra un tipo NEl canal semiconductor con una región de tipo P denominada Puerta se difundió en el canal de tipo N formando una unión PN con polarización inversa y es esta unión la que forma el region de agotamiento alrededor del área de la Puerta cuando no se aplican voltajes externos. Por lo tanto, los JFET se conocen como dispositivos en modo de agotamiento.

Esta región de agotamiento produce un potencialgradiente que tiene un espesor variable alrededor de la unión PN y restringe el flujo de corriente a través del canal al reducir su ancho efectivo y, por lo tanto, aumentar la resistencia general del propio canal.

Entonces podemos ver que la porción más agotada dela región de agotamiento se encuentra entre la Puerta y el Drenaje, mientras que el área menos agotada se encuentra entre la Puerta y la Fuente. Luego, el canal del JFET conduce con una tensión de polarización cero aplicada (es decir, la región de agotamiento tiene un ancho cercano a cero).

Sin tensión de puerta externa (Vsol = 0), y una pequeña tensión (VDS ) aplicada entre el Drenaje y la Fuente, corriente máxima de saturación (IDSS ) fluirá a través del canal desde el Drenaje a la Fuente restringido solo por la pequeña región de agotamiento alrededor de las uniones.

Si un pequeño voltaje negativo (-VGS ) ahora se aplica a la Puerta del tamaño della región de agotamiento comienza a aumentar reduciendo el área efectiva general del canal y, por lo tanto, reduciendo la corriente que fluye a través de él, se produce una especie de efecto de "compresión". Entonces, al aplicar un voltaje de polarización inversa, aumenta el ancho de la región de agotamiento, lo que a su vez reduce la conducción del canal.

Dado que la unión PN tiene polarización inversa, poca corriente fluirá hacia la conexión de la puerta. Como la tensión de la puerta (-VGS ) Se hace más negativo, el ancho del canal.disminuye hasta que ya no fluye más corriente entre el Drenaje y la Fuente y se dice que el FET está "comprimido" (similar a la región de corte para un BJT). La tensión a la que se cierra el canal se denomina “tensión de pinch off”, (VPAG ).

JFET Canal pellizcado

canal jfet pellizcado

En esta región de pellizco, la tensión de la compuerta, VGS controla el canal actual y VDS tiene poco o ningún efecto.

modelo jfet
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Modelo JFET

El resultado es que el FET actúa más como una resistencia controlada por voltaje que tiene resistencia cero cuando VGS = 0 y resistencia máxima "ON" (RDS ) cuando la tensión de la puerta es muy negativa. En condiciones normales de funcionamiento, la compuerta JFET siempre está sesgada negativamente con respecto a la fuente.

Es esencial que el voltaje de la puerta nunca sea positivo, ya que si es toda la corriente del canal fluirá hacia la puerta y no a la fuente, el resultado es un daño al JFET. Luego para cerrar el canal:

  • Sin voltaje de compuerta (VGS ) y VDS se incrementa desde cero.
  • NovDS y el control de la puerta se reduce negativamente desde cero.
  • VDS y VGS variar.

El canal p Transistor de efecto de campo de unión funciona exactamente igual que el canal N anterior, con las siguientes excepciones: 1). La corriente del canal es positiva debido a los agujeros, 2). La polaridad de la tensión de polarización debe invertirse.

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Las características de salida de un JFET de canal N con la puerta cortocircuitada a la fuente se dan como:

Curvas características de salida V-I de un cruce típico FET

curvas de caracteristicas jfet

El voltaje vGS aplicado a la puerta controla la corriente que fluye entre los terminales de drenaje y fuente. VGS se refiere a la tensión aplicada entre la puerta y la fuente mientras VDS se refiere a la tensión aplicada entre el Drenaje y la Fuente.

Porque un Transistor de efecto de campo de unión es un dispositivo controlado por voltaje, “¡NO fluye corriente en la compuerta!” luego la corriente de Fuente (IS ) que sale del dispositivo es igual a la corriente de drenaje que fluye hacia él y, por lo tanto, (Ire = YoS ).

El ejemplo de las curvas de características que se muestra arriba, muestra las cuatro regiones diferentes de operación para un JFET y estas se dan como:

  • Región Ohmica - Cuando VGS = 0 la capa de agotamiento del canal es muy pequeña y el JFET actúa como una resistencia controlada por voltaje.
  • Región de corte - Esto también se conoce como la región de pellizco donde la tensión de compuerta, VGS es suficiente para hacer que el JFET actúe como un circuito abierto ya que la resistencia del canal es máxima.
  • Saturación o región activa: el JFET se convierte en un buen conductor y se controla mediante el voltaje de la fuente de la puerta, (VGS ) mientras que la tensión Drain-Source, (VDS ) tiene poco o ningún efecto.
  • Región de ruptura: la tensión entre el drenaje y la fuente, (VDS es lo suficientemente alto como para hacer que el canal resistivo del JFET se rompa y pase la corriente máxima no controlada.

Las curvas de características de un transistor de efecto de campo de unión de canal P son las mismas que las anteriores, excepto que la corriente de drenaje Ire Disminuye con un aumento positivo de la tensión de la Fuente de la Fuente, VGS.

La corriente de drenaje es cero cuando VGS = VPAG. Para funcionamiento normal, VGS está predispuesto a estar en algún lugar entre VPAG y 0. Entonces podemos calcular la corriente de Drenaje, Ire para cualquier punto de sesgo dado en la saturación o región activa de la siguiente manera:

Drenar corriente en la región activa

efecto de campo de unión transistor corriente de drenaje

Tenga en cuenta que el valor de la corriente de drenaje estará entre cero (pellizco) y IDSS (corriente máxima). Conociendo la corriente de drenaje Ire y la tensión de drenaje-fuente VDS La resistencia del canal (RDS ) se da como:

Resistencia del canal fuente de drenaje

efecto de campo de unión transistor canal de resistencia

Donde: gmetro es la "ganancia de transconductancia" ya que el JFET es un dispositivo controlado por voltaje y que representa la tasa de cambio de la corriente de drenaje con respecto al cambio en el voltaje de la Fuente de la Puerta.

Modos de FET.

Al igual que el transistor de unión bipolar, el campoEl transistor de efecto es un dispositivo de tres terminales capaz de tres modos de operación distintos y, por lo tanto, puede conectarse dentro de un circuito en una de las siguientes configuraciones.

Configuración de fuente común (CS) JFET

configuración de fuente común

En el Fuente común configuración (similar al emisor común), lala entrada se aplica a la puerta y su salida se toma del drenaje como se muestra. Este es el modo de operación más común del FET debido a su alta impedancia de entrada y buena amplificación de voltaje y, como tal, los amplificadores de fuente común son ampliamente utilizados.

El modo de fuente común de la conexión FET se utiliza generalmente en amplificadores de frecuencia de audio y en preamplificadores y etapas de alta impedancia de entrada. Al ser un circuito amplificador, la señal de salida es 180.o "Fuera de fase" con la entrada.

Configuración JFET Common Gate (CG)

configuración de puerta común

En el Puerta comun configuración (similar a la base común), la entradase aplica a la Fuente y su salida se toma del Drenaje con la Puerta conectada directamente a tierra (0v) como se muestra. La característica de alta impedancia de entrada de la conexión anterior se pierde en esta configuración, ya que la puerta común tiene una impedancia de entrada baja, pero una impedancia de salida alta.

Este tipo de configuración FET se puede utilizar enLos circuitos de alta frecuencia o en los circuitos de adaptación de impedancia tenían una impedancia de entrada baja y una impedancia de salida alta. La salida es "en fase" con la entrada.

Configuración de drenaje común (CD) JFET

configuración de drenaje común

En el Drenaje comun configuración (similar al colector común), ella entrada se aplica a la puerta y su salida se toma de la fuente. La configuración de drenaje o "seguidor de la fuente" común tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida y una ganancia de tensión cercana a la unidad, por lo que se utiliza en amplificadores de búfer. La ganancia de voltaje de la configuración del seguidor de la fuente es menor que la unidad, y la señal de salida está "en fase", 0o con la señal de entrada.

Este tipo de configuración se conoce como "drenaje común" porque no hay señal disponible en la conexión de drenaje, la tensión está presente, + VDD sólo proporciona un sesgo. La salida está en fase con la entrada.

El amplificador JFET

Al igual que el transistor de unión bipolar, JFETse puede utilizar para hacer circuitos de amplificador de clase A de etapa única con el amplificador de fuente común JFET y las características son muy similares al circuito de emisor común BJT. La principal ventaja de los amplificadores JFET sobre los amplificadores BJT es su alta impedancia de entrada que se controla mediante la red resistiva de polarización de la puerta formada por R1 y R2 como se muestra.

Polarización de amplificador JFET

amplificador jfet

Este circuito amplificador de fuente común (CS) está polarizado en el modo de clase "A" por la red divisora ​​de voltaje formada por las resistencias R1 y R2. El voltaje a través de la resistencia de fuente RS generalmente se establece en alrededor de un cuarto de VDD, (VDD / 4) pero puede ser cualquier valor razonable.

El voltaje de compuerta requerido se puede calcular a partir de esta RS valor. Dado que la corriente de la puerta es cero, (Isol = 0) podemos establecer la tensión de CC necesaria mediante la selección adecuada de las resistencias R1 y R2.

El control de la corriente de drenaje por un potencial de puerta negativo hace que la Transistor de efecto de campo de unión útil como interruptor y es esencial que elEl voltaje de la compuerta nunca es positivo para un JFET de canal N, ya que la corriente del canal fluirá hacia la compuerta y no el drenaje, lo que provocará daños en el JFET. Los principios de funcionamiento para un JFET de canal P son los mismos que para el JFET de canal N, excepto que la polaridad de los voltajes debe invertirse.

En el siguiente tutorial sobre Transistores, veremos otro tipo de transistor de efecto de campo llamado MOSFET cuya conexión de puerta está completamente aislada del canal principal de corriente.

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