Transistor JFET

El transistor JFET (Junction Field Effect Transistor, que se traduce como transistor de efecto de campo) es un dispositivo electrónico activo unipolar.

Introducción

Historia

Desde 1953 se propuso su fabricación por Van Nostrand (5 años después de los BJT). Aunque su fabricación no fue posible hasta mediados de los años 80.

Funcionamiento básico

Esquema interno del JFET

El transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor o FET, en inglés) es en realidad una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de potencial.

Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). La puerta es la terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente.

Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son también de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente.

El JFET es un transistor de efecto de campo, es decir, su funcionamiento se basa en las zonas de deplexión que rodean a cada zona P al ser polarizadas inversamente.

Cuando aumentamos la tensión en el diodo compuerta-fuente, las zonas de deplexión se hacen más grandes, lo cual hace que la corriente que va de fuente a drenaje tenga más dificultades para atravesar el canal que se crea entre las zonas de deplexión, cuanto mayor es la tension inversa en el diodo compuerta-fuente, menor es la corriente entre fuente y drenaje.

Por esto, el JFET es un dispositivo controlado por tensión y no por corriente. Casi todos los electrones que pasan a través del canal creado entre las zonas de deplexión van al drenaje, por lo que la corriente de drenaje es igual a la corriente de fuente $I_{D}=I_{S}$ .

Polarización y curvas características

Polarización de un transistor JFET

Curvas características de un JFET canal n

Este tipo de transistor se polariza de manera diferente al transistor bipolar. La terminal de drenaje se polariza positivamente con respecto al terminal de fuente (Vdd) y la compuerta se polariza negativamente con respecto a la fuente (-Vgg).

A mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal y más difícil para la corriente pasar del terminal drenador (drain) al terminal fuente o source. La tensión -Vgg para la que el canal queda cerrado se llama pinch-off y es diferente para cada JFET.

El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y requieren que halla cambios en la corriente de base para producir cambios en la corriente de colector. El JFET es controlado por tensión y los cambios en tensión de la compuerta a fuente modifican la región de rarefacción (deplexión) y causan que varíe el ancho del canal.

Al hacer un barrido en corriente directa, se obtienen las curvas características del transistor JFET. Las curvas características típicas para estos transistores se encuentran en la imagen, nótese que se distinguen tres zonas importantes: la zona óhmica, la zona de corte y la zona de saturación.

Existen otros tipos de curvas, como las de temperatura, capacitancia, etc. Todas ellas normalmente las especifica el fabricante de cada transistor. Algunos programas de simulación (como SPICE) permiten hacen barridos de CD básicos para obtener las curvas, en base a los modelos contenidos en sus bibliotecas de componentes.

El transistor JFET, al igual que los BJT, se pueden polarizar de diversas maneras (más adelante se verá) para dar lugar a configuraciones de amplificadores de señal, sin embargo no son las únicas aplicaciones, por ejemplificar algunas otras se tienen la configuración para formar osciladores, interruptores controlados, resistores controlados, etc.

Notación

Símbolo	Unidades	Descripción
$I_{G}$	A	Corriente de compuerta
$I_{S}$	A	Corriente de fuente
$I_{D}$	A	Corriente de drenaje
$I_{DSS}$	A	Corriente de drenaje en saturación
$V_{DS}$	V	Voltaje drenaje-fuente en CD
$V_{GS}$	V	Voltaje compuerta-fuente en CD
$V_{DSQ}$	V	Voltaje drenaje-fuente en el punto de operación en CD
$V_{GSQ}$	V	Voltaje compuerta-fuente en el punto de operación en CD
$v_{gs}$	V	Voltaje compuerta-fuente en CA
$V_{p}$	V	Voltaje de cierre del canal (Pinch voltage)
$V_{A}$	V	Voltaje de Early
$g_{m}$	A/V	Transconductancia para el modelo de pequeña señal
$r_{d}$	Ω	Resistencia de salida para el modelo de pequeña señal
$\lambda$	$V^{-1}$	Modulación de la longitud del canal

Como notación estándar, las variables que se escriben en mayúsculas y con subíndices en mayúsculas hacen referencia a valores determinados (o analizados) en corriente directa, aquellas se escriben en minúsculas e igualmente sus subíndices son valores determinados en corriente alterna; finalmente aquellas que se escriben en minúsculas con subíndices en mayúsculas es la suma de la variable, en corriente directa más la variable en corriente alterna. De manera general en todo circuito con comportamiento lineal es posible aplicar el principio de superposición, en el caso de amplificadores a transistores, se hace uso frecuentemente de este principio, analizando primeramente en corriente directa (polarización del transistor) y posteriormente el análisis en corriente alterna.

Ecuaciones y modelos fundamentales

Estos transistores poseen dos regiones de polarización fundamentales: la región lineal (o de triodo) y la región de saturación (o de estrangulamiento).

Transistor Canal N

Todas las regiones

$I_{G}=0{\mbox{ para }}V_{GS}\leq 0$

Además se cumple: $I_{D}=I_{S}$

Región de corte

$I_{D}=0{\mbox{ para }}V_{GS}\leq V_{p}\ \left(V_{p}<0\right)$

Región de triodo

$I_{D}={2I_{DSS} \over V_{p}^{2}}\left(V_{GS}-V_{p}-{V_{DS} \over 2}\right)V_{DS}{\mbox{ para }}V_{GS}\geq V_{p}{\mbox{ y }}V_{GS}-V_{p}\geq V_{DS}\geq 0$

${\mbox{Si además se cumple }}{V_{DS} \over 2}\ll V_{GS}-V_{p}$

Entonces se puede despreciar dicho término en la ecuación quedando:

$I_{D}={2I_{DSS} \over V_{p}^{2}}\left(V_{GS}-V_{p}\right)V_{DS}$

Región de estrangulamiento

$I_{D}=I_{DSS}\left(1-{V_{GS} \over V_{p}}\right)^{2}\left(1+\lambda V_{DS}\right){\mbox{ para }}V_{DS}\leq V_{GS}-V_{p}\leq 0$

Generalmente el valor de $\lambda$ se puede despreciar, quedando así la ecuación:

$I_{D}=I_{DSS}\left(1-{V_{GS} \over V_{p}}\right)^{2}$

Transistor Canal P

Todas las regiones

$I_{G}=0{\mbox{ para }}V_{GS}\geq 0$

Además se cumple: $I_{D}=I_{S}$

Región de corte

$I_{D}=0{\mbox{ para }}V_{GS}\leq V_{p}\ \left(V_{p}>0\right)$

Región de triodo

$I_{D}={2I_{DSS} \over V_{p}^{2}}\left(V_{GS}-V_{p}-{V_{DS} \over 2}\right)V_{DS}{\mbox{ para }}V_{GS}\leq V_{p}{\mbox{ y }}\left|V_{GS}-V_{p}\right|\geq \left|V_{DS}\right|\geq 0$

${\mbox{Si además se cumple }}{V_{DS} \over 2}\ll V_{GS}-V_{p}$

Entonces se puede despreciar dicho término en la ecuación quedando:

$I_{D}={2I_{DSS} \over V_{p}^{2}}\left(V_{GS}-V_{p}\right)V_{DS}$

Región de estrangulamiento

$I_{D}=I_{DSS}\left(1-{V_{GS} \over V_{p}}\right)^{2}\left(1+\lambda \left|V_{DS}\right|\right){\mbox{ para }}\left|V_{DS}\right|\leq \left|V_{GS}-V_{p}\right|\leq 0$

Generalmente el valor de $\lambda$ se puede despreciar, quedando así la ecuación:

$I_{D}=I_{DSS}\left(1-{V_{GS} \over V_{p}}\right)^{2}$

Modelo del transistor JFET a pequeña señal

En la imagen se muestra el modelo del transistor JFET trabajando a pequeña señal con corriente alterna.

$g_{m}={2I_{DSS} \over \left|V_{p}\right|}\left(1-{V_{GSQ} \over V_{p}}\right)$

$r_{d}={{V_{A}+V_{DSQ}} \over I_{DQ}}$

Se observa que éste funciona como una fuente dependiente de corriente controlada por el voltaje compuerta-fuente. La impedancia de entrada de este dispositivo es lo suficientemente alta como para no incluirla en el modelo, a diferencia de lo que ocurre con el transistor BJT.

Para que el modelo de pequeña señal tenga validez, debe cumplirse la siguiente condición:

$v_{gs}\leq 0.2(V_{GSQ}-V_{p})$

Esta condición, en general es utilizada para el diseño y análisis de amplificadores, sobre todo para conocer el rango de valores en amplitud que puede soportar el amplificador en la entrada sin que haya distorsión en la señal de salida.

Modelo en SPICE

En la imagen se observa el modelo que maneja el programa SPICE al momento de realizar simulaciones. Nótese que, a diferencia del modelo de pequeña señal, aquí se incluyen otros componentes que permiten determinar el comportamiento del JFET en un rango de frecuencias más amplio, así como amplitudes de señal no necesariamente pequeñas. Es de notarse que se agregan diodos al modelo.

En el presente artículo no se pretende hacer un análisis profundo sobre dicho modelo, simplemente se menciona como referencia para estudios posteriores por parte del interesado. Para una mejor comprensión de los parámetros que se utilizan véase Modelo del JFET en SPICE.

Es importante recordar que los modelos sólo simplifican el análisis realizado por el programa correspondiente durante la simulación de un circuito. Para el caso de los transistores JFET los modelos usados dan excelentes resultados, sin embargo existen otros dispositivos en los que no es posible obtener simulaciones precisas, principalmente por el tipo de curvas características que éstos exhiben (si sus curvas presentan discontinuidades pronunciadas, sensibilidad al ruido, sensibilidad a los cambios de temperatura, etc.).

Se considera trascendente indicar que, según el fabricante del software a utilizar para la simulación, está el modelo de los diversos dispositivos, particularmente del transistor JFET. Si se requiere de un análisis más minucioso es recomendable consultar el modelo previo a la simulación.

Yami

Como se mencionó con anterioridad, las aplicaciones con este tipo de transistores es muy variada, aquí se mostrarán sólo dos aplicaciones básicas, a saber, la construcción de osciladores para generación de formas de onda cuadradas a determinadas frecuencias, y el análisis y diseño de las configuraciones fundamentales de amplificadores con JFET's.

Osciladores y radios

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Amplificadores

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Referencias y enlaces

Diseño de circuitos microelectrónicos - Jaeger Richard y Blalock Travis - McGraw Hill - 2da. edición.
Electrónica física y microelectrónica - Luis Rosado - Paraninfo - Edición de 1987
Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos - Boylestad, Nashelsky - Pearson - 8va. edición
Modelo del JFET en SPICE