6.2 Construcción y características de los JFET.
Como se indicó con anterioridad, el JFET es un dispositivo de tres terminales, siendo una de ellas capaz de controlar el flujo de corriente entre las otras dos. En nuestra explicación explicación sobre el transistor BJT se utilizó utilizó el transistor transistor npn a npn a lo largo de la maor parte de las secciones de an!lisis dise"o, con una sección dedicada a los efectos resultantes de emplear un transistor pnp. transistor pnp. #ara #ara el transistor JFET el dispositivo de canal$ n aparecer! como el dispositivo predominante, con p!rrafos secciones dedicadas a los efectos resultantes del uso de un JFET de canal$p. %a construcción b!sica del JFET de canal$n se muestra en la figura &.'. (bserve )ue la maor maor parte de la estruc estructur turaa es el materia materiall tipo tipo n )ue forma el canal entre las capas difundidas en material tipo p. tipo p. El El extremo extremo superior del canal tipo n se conecta mediante contacto ó*mico a la terminal denominada como drenaje +drain (D), mientras drenaje +drain (D), mientras )ue el extremo inferior del mismo material se conecta por medio de contacto ó*mico a la term termin inal al llam llamad adaa la fuente fuente +sour +source ce (S). %os %os dos dos mate materi rial ales es tipo tipo p se encuentran conectados juntos al mismo tiempo *acia la terminal de compuerta compuerta +gate +gate (Q). (Q). #or tanto, tanto, esencialmente el esencialmente el drenaje la fuente se conectan en esencia a los extremos del canal canal tipo n la comp compue uert rta, a, a las las dos dos capas capas del del mate materi rial al tipo tipo p. En ausencia ausencia de cual)uiera de los potenciales aplicados, el JFET tiene dos uniones p$n bajo condiciones sin polarización. El resultado es una región de agotamiento en cada unión, como se ilustra en la figura &.', )ue se parece a la misma región de un diodo bajo condiciones sin polarización. polarización. -ecurdese tambin )ue una región región de agotamiento agotamiento es a)uella a)uella región región carente de portadores libres por lo tanto incapaz de permitir la conducción a travs de la región.
Figura 5.2 Transistor de unión de efecto de campo (JFET).
/u pocas veces las analog0as son perfectas en ocasiones pueden ser enga"osas, pero la analog0a *idr!ulica *idr!ulica de la figura &.1 proporciona proporciona un sentido sentido al control control del JFET en la terminal de compuerta a la conveniencia de la terminolog0a aplicada a las terminales del dispositivo. %a fuente de la presión del agua puede semejarse al voltaje aplicado del drenaje a la fuente, el cual establecer! un flujo de agua +electrones desde el grifo o llave +fuente. %a 2compuerta2, por medio de una se"al aplicada +potencial, controla el flujo del agua +carga *acia el 2drenaje2. %as terminales del drenaje la fuente est!n en
los extremos opuestos del canal$n, como se ilustra en la figura &.', debido a )ue la terminolog0a se define para el flujo de electrones.
Figura 5. !nalogía "idr#ulica para el mecanismo de control del JFET.
VGS $ % &' Vds cualuier alor positio
En la figura &.3 se *a aplicado un voltaje positivo VDS y a travs del canal la compuerta se *a conectado en forma directa a la fuente para establecer la condición VGS 4 5 6. El resultado es )ue las terminales de compuerta fuente se *allan al mismo potencial *a una región de agotamiento en el extremo inferior de cada material p, semejante a la distribución de las condiciones sin polarización de la figura &.'. En el instante )ue el voltaje vDD + 4 VDS) se aplica, los electrones ser!n atra0dos *acia la terminal de drenaje, estableciendo la corriente convencional ID con la dirección definida de la figura &.3. %a traectoria del flujo de carga revela con claridad )ue las comentes de fuente drenaje son e)uivalentes + ID 4 Is). Bajo las condiciones )ue aparecen en la figura &.3, el flujo de carga es relativamente permitido limitado 7nicamente por la resistencia del canal$n entre el drenaje la fuente.
Figura 5.* JFET en la región VGS $ % & y VDS + % &.
Es importante observar )ue la región de agotamiento es m!s anc*a cerca del extremo superior de ambos materiales tipo p. %a razón para el cambio en la anc*ura de la región se puede describir mejor con la auda de la figura &.&. 8uponiendo una resistencia uniforme en el canal$n, la resistencia del canal puede dividirse en las partes )ue aparecen en la figura &.&. %a corriente ID establecer! los niveles de voltaje a travs del canal, como se indica en la misma figura. El resultado es )ue la región superior del material tipo p estar! inversamente polarizada alrededor de los 9.& 6, con la región inferior inversamente polarizada sólo en los 5.& 6. -ecurdese, la explicación de la operación del diodo, )ue cuanto maor sea la polarización inversa aplicada, maor ser! la anc*ura de la región de agotamiento, de a)u0 la distribución de la región de agotamiento )ue se muestra en la figura &.&. El *ec*o de )ue la unión p-n est inversamente polarizada en la longitud del canal da por resultado una corriente de compuerta de cero amperes, como se ilustra en la misma figura. El *ec*o )ue iG = ( : es una importante caracter0stica del JFET.
Figura 5.5 &ariación de los potenciales de polari,ación inersa a tra-s de la unión p-n de un JFET de canal n.
En cuanto el voltaje VDS se incrementa de ( a unos cuantos voltios, la corriente aumentar! seg7n se determina por la le de (*m, la gr!fica de ID contra VDS aparecer! como se ilustra en la figura &.;. %a relativa linealidad de la gr!fica revela )ue para la región de valores inferiores de VDS la resistencia es esencialmente una constante. : medida )ue VDS se incrementa se aproxima a un nivel denominado como Vp en la figura &.;, las regiones de agotamiento de la figura &.3 se ampliar!n, ocasionando una notable reducción en la anc*ura del canal. %a reducida traectoria de conducción causa )ue la resistencia se incremente, provoca la curva en la gr!fica de la figura &.;. Cuanto m!s *orizontal sea la curva, m!s grande ser! la resistencia, lo )ue sugiere )ue la resistencia se aproxima a 2infinitos2 o*mios en la región *orizontal. 8i VDS se incrementa *asta un nivel donde parezca )ue las dos regiones de agotamiento se 2tocar0an2, como se ilustra en la figura &.<, se tendr0a una condición denominada como estrecamiento +pinc*$off. El nivel de VDS )ue establece esta condición se conoce como el voltaje d! estrecamiento se denota por 6p, como se muestra en la figura &.;. En realidad, el trmino 2estrec*amiento2 es un nombre inapropiado en cuanto a )ue sugiere )ue la corriente iD disminue, al estrec*arse el canal, a 5 :. 8in embargo, como se muestra en la figura &.;, es poco probable )ue ocurra este caso, a )ue ID mantiene un nivel de saturación definido como IDSS en la figura &.;. En realidad existe todav0a un canal mu pe)ue"o, con una corriente de mu alta densidad. El *ec*o de )ue ID no caiga por el estrec*amiento mantenga el nivel de saturación indicado en la figura &.;
se verifica por el siguiente *ec*o= la ausencia de una corriente de drenaje eliminar0a la posibilidad de diferentes niveles de potencial a travs del canal de material n, para establecer los niveles de variación de polarización inversa a lo largo de la unión p-n. El resultado ser0a una prdida de la distribución de la región de agotamiento, )ue ocasiona en primer lugar el estrec*amiento.
Figura 5.6 ID contra VDS para VGS $ % &.
Figura 5. Estrec"amiento (VGS $ % &' VDS $ Vp).
: medida )ue VDs incrementa su valor m!s all! de Vp, la región de estrec*amiento cutre las dos regiones de agotamiento aumentar! en longitud a lo largo del canal, pero el nivel de ID contin7a siendo fundamentalmente el mismo. #or tanto, esencialmente, una vez )ue VDS " Vp el JFET posee las caracter0sticas de una fuente de corriente. Como se
muestra en la figura &.>, la corriente est! fija en ID 4 IDSS , pero el voltaje VDS y +para niveles ? Vp se determina por la carga aplicada. %a elección de la notación para IDSS se deriva del *ec*o de )ue es la corriente de drenaje a fuente con una conexión en corto circuito de la compuerta a la fuente. : medida )ue continuemos investigando las caracter0sticas del dispositivo *allaremos )ue= Idss es la m#$ima corriente de drenaje, para un %&' y se define por las condiciones VGS 4 5 6 VDS ? Vp. @ótese en la figura &.; )ue VGS 4 ( 6 para la longitud total de la curva. %os breves p!rrafos siguientes describir!n cómo se afectan las caracter0sticas de la figura &.; a causa de los cambios en el nivel de 6A8.
Figura 5./ Fuente de corriente euialente para VGS = % &' VDS + Vp. VGS 0 o
El voltaje de la compuerta a la fuente, )ue se denota como VGS es el voltaje de control del JFET. el mismo modo )ue fueron establecidas varias curvas de I contra V' para diferentes niveles de I* para el transistor BJT, pueden desarrollarse curvas de ID contra VDS para varios niveles de VGS para el JFET. #ara el dispositivo de canal n el voltaje de control VGS se *ace m!s m!s negativo con respecto a. su nivel de VGS 4 ( 6. En otras palabras, la terminal de compuerta se situar! en niveles de potencia cada vez m!s bajos en comparación con la fuente. En la figura &. se *a aplicado un voltaje negativo de $9 6 entre las terminales de compuerta fuente para un nivel bajo de VDS. El efecto de la polarización negativa aplicada VGS es el de establecer regiones de agotamiento semejantes a las obtenidas con V+s 4 5 6 pero a menores niveles de VDS. #or lo tanto, el resultado de aplicar una polarización negativa a la compuerta es el de alcanzar el nivel de saturación a un nivel menor de VDS , como se ilustra en la figura &.95 para VGS 4 $9 6. El nivel de saturación resultante para ID se *a reducido de *ec*o continuar! disminuendo en tanto VGS contin7e *acindose m!s m!s negativo. (bsrvese tambin en la figura &.95 cómo el voltaje de estrec*amiento contin7a decaendo en forma parabólica a medida )ue VGS se vuelve m!s m!s negativo. Eventualmente, cuando vGS = -Vp, VGS, ser! lo suficientemente negativo para establecer un nivel de saturación )ue es esencialmente de ( m:, para todos los fines pr!cticos el dispositivo se *abr! 2apagado2. En resumen= 'l nivel de vGS ue resulta en ID = 5 m se define por VGS 4 Vp, siendo Vp, un voltaje ne+ativo para dispositivos de canal n y un voltaje positivo para %&'s de canal-p.
Figura 5.1 !plicación de un oltae negatio a la compuerta de un JFET.
En la maor0a de las *ojas de especificaciones, el voltaje de estrec*amiento se especifica como VGS +apagado, en lugar de Vp, 8e revisar! una *oja de especificaciones posteriormente en el cap0tulo, cuando se *aan introducido los elementos principales de inters. %a región de la derec*a de la curva de estrec*amiento de la figura &.95 es la región normalmente empleada para amplificadores lineales +amplificadores con una m0nima distorsión de la se"al aplicada se le conoce com7nmente como re+in de corriente constante, de saturacin o de amplificacin lineal.
Figura 5.3% Características de un JFET de canal n con IDSS $ / m! y Vp $ 4* &.
