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EL TRANSISTOR JFET

NOMBRE: Juan OrtuñoMaikol CleryGuillermo BalcarceLuis UlloaCARRERA: Automatización y control industrial ASIGNATURA: Electrónica Digital y AnalógicaPROFESOR: Patricia CumminsFECHA: 11-11-2015

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INDICE

Pág.

INTRODUCCIÓN…………………………………............................. 3

DESCRIPCION DEL TRANSISTOR…………………………………. 4

COMPORTAMIENTO CUALITATIVO DEL JFET………................. 8

APLICACIONES………………………………………………………… 11

COMPARACIÓN ENTRE FET Y

BJT…………………………………12

DESVENTAJAS QUE LIMITAN LA UTILIZACIÓN DE LOS FET… 13

DIFERENCIAS ENTRE FET Y

BJT…………………………………...14

DIFERENCIAS ENTRE FET Y

BJT…………………………………...15

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1 Introducción

Los transistores de campo o FET se denominan así porque durante su funcionamiento la señal de entrada crea un campo eléctrico que controla el paso de la corriente a través del dispositivo.

Estos transistores también se llaman unipolares para distinguirlos de los transistores bipolares de unión y para destacar el hecho de que un solo tipo de portadores electrones o huecos intervienen en su funcionamiento.

A los transistores de efecto de campo se les conoce abreviadamente como FET (Field Effect Transistor) y entre ellos podemos distinguir dos grandes tipos:

Transistor de Efecto de Campo de Unión: JFET (Junction Field Effect Transistor)

Transistor de Efecto de Campo Metal - Óxido - Semiconductor: MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

La principal diferencia entre los transistores FET y los BJT radica en el hecho de que el transistor BJT es un dispositivo controlado por corriente, mientras que los transistores FET son dispositivos controlados por tensión. En ambos casos, la corriente del circuito de salida es controlada por un parámetro del circuito de entrada, en un caso el nivel de corriente y en el otro el nivel de tensión aplicada. En los transistores FET se crea un campo eléctrico que controla la anchura del camino de conducción del circuito de salida sin que exista contacto directo entre la magnitud controlada (corriente) y la magnitud controladora (tensión). De forma análoga a como en los transistores bipolares existen dos tipos npn y pnp, en los transistores de efecto de campo se habla de transistores FETs de canal n y de canal p.

Una de las características más importantes de los FETs es su alta impedancia de entrada con niveles que pueden varias desde uno hasta varios cientos de mega ohmios, muy superiores a la que presentan los transistores bipolares que presentan impedancias de entrada del orden de unos pocos kilos ohmios. Esto proporciona a los FET una posición de ventaja a la hora de ser utilizados en circuitos amplificadores.

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Los transistores de efecto de campo de unión (JFET) fueron primero propuestos por Schockley en 1952 y su funcionamiento se basa en el control del paso de la corriente por el campo aplicado a la puerta, por una o varias uniones p-n polarizadas en inverso.

Los transistores de efecto de campo de unión metal-semiconductor (MESFET), propuestos en 1966, tienen un funcionamiento muy similar al JFET, pero en ellos el control del flujo de la corriente se realiza por una unión metal-semiconductor de tipo Schottky. Finalmente existe también otro tipo de transistores denominados genéricamente MOSFET (metal-oxido-semiconductor), de desarrollo más reciente, en los que el control de la corriente a través del semiconductor por una capa aislante (normalmente, oxido de silicio). Este tipo de transistores se utiliza preferentemente en la electrónica digital.

DESCRIPCION DEL TRANSISTOR

La estructura básica de un transistor JFET está formada por un semiconductor figura 1-a, de tipo n por ejemplo, con dos contactos óhmicos en sus extremos, uno de ellos S denominado fuente o surtidor y el otro D conocido por el nombre de drenador. El tercer electrodo G, denominado puerta, está constituido por dos regiones de tipo p difundidas a ambos lados de la estructura del semiconductor. Se forma así en el contacto de la puerta dos uniones p-n, las cuales están conectadas entre sí y polarizadas en inverso, de forma que la corriente que pasa a través de ellas es prácticamente nula. Generalmente la unión de puerta es del tipo p+ -n, lo cual significa que la región p de la puerta p de la puerta esta mucho mas dopada que la región n del semiconductor.

Los JFET utilizados en un circuito integrado normalmente se fabrican siguiendo la tecnología planar, según la cual el semiconductor está formado por una capa de carácter n (capa epitaxial) depositada sobre un substrato de silicio u otro semiconductor, de tipo p. Un área pequeña de la superficie de esta capa epitaxial esta difundida por impurezas también tipo p, y forma, junto con el substrato de silicio, el contacto de puerta.

Los electrodos metálicos de fuente y de sumidero se depositan directamente a ambos lados del contacto superior de puerta. En la figura 1-b se representa un esquema de la geometría de las diferentes zonas y contactos de un JFET utilizado en circuitos integrados, mostrando la zona activa, es decir la región donde tiene lugar la acción del transistor. El símbolo para el JFET de tipo n se ha representado en la figura 1-c, con la flecha de la puerta apuntando hacia dentro para indicar el carácter n del semiconductor. En el caso del JFET de tipo p, la flecha de la puerta tiene la dirección opuesta a la de la figura.

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Si el semiconductor es de tipo n, la polarización se hace de forma que la corriente de electrones (portadores mayoritarios) fluya desde el contacto de surtidor, S al de drenador, D.

Esto quiere decir que la tensión VDS= VD – Vs debe ser positiva. Se dice entonces que el semiconductor funciona en el canal de baja resistencia para los electrones, estando limitado el canal por las paredes que forman las dos regiones de carga espacial adyacentes a las uniones p-n de la puerta. Según hemos visto, en las regiones de carga espacial la concentración de carga es muy baja y por tanto su resistividad es muy elevada.

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Figura 2

Parte superior: Esquema de la variación de la anchura del canal para valores crecientes del voltaje de drenador, VD, de un transistor JFET: a) Para VD<< VD,Sat. b) VD=VD, Sat. c) VD >> VD,Sat.

Parte inferior: Representación de la variación de la corriente de drenador, ID.

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COMPORTAMIENTO CUALITATIVO DEL JFET

Supongamos inicialmente que el electrodo de puerta esta polarizado al potencial de tierra, esto es VG=0, y que aumentamos lentamente desde cero la tensión aplicada al drenador, VD, manteniendo el drenador a una tensión fija de cero voltios, esto es V s=0 (potencial de tierra). Para pequeños valores de VD, la corriente que circula entre el surtidor y el drenador, ID, debe ser pequeña. Esta corriente es debida al movimiento de electrones desde la fuente al drenador a través del canal. En esta situación se considera que el canal está completamente abierto, comportándose de mismo modo que una resistencia figura 2-a que el canal semiconductor de tipo n está sometido a un potencial positivo respecto los contactos de la puerta (polarizados a una tensión VG=0) por lo que la unión p+ -n de los contactos de puerta queda polarizada en inverso. Como consecuencia de esta polarización en inverso, la corriente que circula a través de los contactos de puerta debe ser extremadamente baja. Además, la región de carga espacial, también llamada de agotamiento, que se extiende de ambos lados de cada una de las dos uniones tiene una anchura mayor en la región del canal, ya que esta es la que esta menos dopada (región sombreada en la figura 1-a). Es importante señalar que la anchura de la zona de agotamiento es más acusada conforme se avanza hacia el drenador, ya que el potencial V(x) a lo largo del canal semiconductor (región n) es cada vez más positivo respecto de la puerta (región p).

A medida que aumenta VD manteniendo VS=0, la anchura de la región de carga espacial a ambos lados de la unión p+ -n de la puerta es cada vez mayor. Este efecto da lugar a una reducción de la anchura del canal, siendo lógicamente el efecto más acusado en la zona del drenador. La reducción gradual de la anchura del canal puede ser tan elevada que puede incluso cerrar el canal en el extremo del drenador. Se origina entonces en esta región un aumento notable de la resistencia del canal, por lo que la pendiente de la curva ID en función de VD comience a decrecer. Cuando el voltaje alcanza un cierto valor critico dado por VD=VD,Sat. (Este valor normalmente es de unos pocos voltios, aunque lógicamente depende de las dimensiones del dispositivo), se llega a la situación indicada en la figura 2-b, en la cual se produce el estrangulamiento del canal (pinch-off) y la curva característica ID=VD

se hace entonces prácticamente horizontal (es decir, resistencia dinámica infinita). A partir de este momento, al aumentar VD ya no aumenta más la corriente que circula a través del canal. En este rango de tensiones elevadas, conocido como región de saturación, el aumento de VD da a lugar un crecimiento de la longitud de la región del canal que ha sido estrangulada, debido al desplazamiento del punto P (punto donde se produce inicialmente el estrangulamiento) hacia la región de la fuente, figura 2-c. Obsérvese que, contrariamente a lo que podría parecer en una primera impresión, al quedar el canal bloqueado la corriente ID

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no se reduce a cero, ya que entonces no habría caída de potencial a lo largo del canal y no se llegaría a la condición de estrangulamiento.

Es preciso tener en cuenta además que a medida que el potencial en el drenador se acerca o incluso se hace más elevado que el potencial de estrangulamiento, la caída de potencial a lo largo del semiconductor, V(x), ya no es homogénea. De hecho, cuando se aplica en el drenador un potencial mayor que VD,Sat. el punto P de estrangulamiento, separa dos zonas de diferente resistencia en el semiconductor: entre la fuente y el punto P tenemos el canal con resistencia baja, mientras que desde el punto P al drenador la resistencia es muy elevada, ya que corresponde a la región de agotamiento de la unión p-n polarizada en inversa. Es más, el potencial en el punto P, y una caída igual a VD – VD,Sat., esta última región es la que absorbe la mayor parte de la tensión aplicada. Este reparo inhomogeneo de la tensión hace que la región de saturación la corriente de fuente a sumidero sea prácticamente constante ya que está limitada por la caída de tensión entre la fuente y el punto P de estrangulamiento. Un esquema cualitativo de las dos regiones de diferente resistencia que forma el canal en la zona de saturación viene dado en la figura 3.

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Figura 3 Parte superior: Variación del voltaje, V(x), a lo largo del canal de un JFET (tipo n) cuando se aplica un voltaje VD superior al de estrangulamiento (punto de operación en la región de saturación). Las lines de trazo indican la situación correspondiente a diferentes valores de VD (V´D> VD > V´´D). Parte inferior: Esquema de la situación de estrangulamiento del canal en un punto P, en el interior del JFET.

Aparte de este efecto, existe otra limitación de la corriente que se presenta sobre todo en los transistores con una longitud de canal, L, pequeña. La corriente en este caso puede quedar limitada por la velocidad máxima que alcanzan los portadores en la parte posterior del canal (detrás del punto P), donde el campo eléctrico toma valores muy elevados.

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APLICACIONES

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.

- Osciladores y radios- Amplificadores

APLICACIÓN PRINCIPAL VENTAJA USOSAislador o separador (buffer)

Impedancia de entrada alta y de salida baja

Uso general, equipo de medida, receptores

Amplificador de RF Bajo ruido Sintonizadores de FM, equipo para comunicaciones

Mezclador Baja distorsión de intermodulación

Receptores de FM y TV, equipos para comunicaciones

Amplificador con CAG

Facilidad para controlar ganancia

Receptores, generadores de señales

Amplificador cascodoBaja capacidad de entrada

Instrumentos de medición, equipos de prueba

Troceador Ausencia de deriva Amplificadores de cc, sistemas de control de dirección

Resistor variable por voltaje Se controla por voltaje

Amplificadores operacionales, órganos electrónicos, controlas de tono

Amplificador de baja frecuencia

Capacidad pequeña de acoplamiento

Audífonos para sordera, transductores inductivos

Oscilador Mínima variación de frecuencia

Generadores de frecuencia patrón, receptores

Circuito MOS digital Pequeño tamaño Integración en gran escala, computadores, memorias.

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Comparación entre FET y BJT

Los transistores de efecto de campo o FET (Field Electric Transistor) son particularmente interesantes en circuitos integrados y pueden ser de dos tipos: transistor de efecto de campo de unión o JFET y transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor (MOSFET). Son dispositivos controlados por tensión con una alta impedancia de entrada (1012Ω). Ambos dispositivos se utilizan en circuitos digitales y analógicos como amplificador o como conmutador. Sus características eléctricas son similares aunque su tecnología y estructura física son totalmente diferentes.

Existen dos grandes grupos de FET: los de unión (JFET) y los metalóxido semiconductor (MOSFET). Dentro de los MOSFET está el de acumulación, el cual ha propiciado los rápidos avances de los dispositivos digitales.

Vent aj as del FET:

3) Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de entrada muy elevada (107 a

1012Ω).

2) Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.

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3) Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.

4) Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan menos pasos y permiten integrar más dispositivos en un C1, pudiéndose incluir un mayor número de FET en un solo chip (requieren menor área), de aquí que memorias y microprocesadores se implementen únicamente con MOSFET

5) Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión para valores pequeños de tensión drenaje-fuente.

6) La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento.

7) Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.

8) Debido a que los FET son dispositivos sensibles al voltaje, con una gran impedancia de entrada (del orden de 10 Mohm a 1 Gohm). Al ser mucho más alta que la correspondiente a los BJT, se prefieren como etapa de entrada en amplificadores multi etapa.

9) Los FET de potencia controlan potencias elevadas y conmutan grandes corrientes.

10) Los FET no son tan sensibles a la radiación como los BJT.

Desvent aj as qu e limit an l a utili z aci ón de l os FET:

1) Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacidad de entrada.

2) Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son menos lineales que los BJT.

3) Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática.

D i fere n c i a s e n t r e F E T y B J T.

Transistor de efecto de campo (FET) Transistor bipolar de unión (BJT)Baja ganancia de voltaje Alta ganancia de voltajeAlta ganancia de corriente Baja ganancia de corrienteAlta impedancia de entrada Baja impedancia de entradaGeneración de ruido baja Generación de ruido mediaTiempo de conmutación alta Tiempo de conmutación mediaSe daña con la estática Uso rudoAlgunos requieren una entrada para apagarlo.

Requiere una entrada de cero para apagarloDispositivo controlado por voltaje Dispositivo controlado por corriente

Mayor costo Baratogm (factor de transconductancia ß (beta factor de amplificación)ID es una función de Vgs IC es una función de IBRelación cuadrática entre Vgs e Id Relación lineal entre Ib e Ic

Comparación entre BJT y JFET

BJT JFETControlado por corriente de base. Controlado por tensión entre puerta y

fuenteDispositivo bipolar que trabaja con las cargas libres de los huecos y electrones.

Dispositivo unipolar que trabaja con las cargas libres de los huecos (Canal p) o electrones (Canal n)

IC es una función de IB ID es una función de Vgs.Β(Beta factor de amplificación) Gm (factor de transconductancia)Altas ganancias de corriente y voltaje Ganancia de corriente indefinidas y

ganancia de voltaje menores las de los BJT

Relación lineal entre Ib e Ic. Relación cuadrática entre Vgs e Id.

CONCLUSION

Son dispositivos de estado sólido que tienen tres o cuatro terminales.

El flujo de cargas es controlado por el campo eléctrico.

El flujo de portadores es de un único tipo (o electrones o huecos).

Pueden funcionar en diferentes regiones de polarización.

Según en qué región de polarización se encuentren, funcionan como:

Resistencias controladas por tensión.

Amplificadores de corriente o tensión, característica principal debido a su alta impedancia de entrada con niveles que pueden ser de uno hasta varios cientos de mega ohmios, en comparación con los transistores BJT.

Fuentes de corriente.

BIBLIOGRAFIAPáginas Web:

https://es.wikipedia.org/wiki/JFET

https://www.youtube.com/watch?v=o6mykTgnYYg

Libros:

Introducción al análisis de circuitos, autor Robert l Boylestad.

Fundamentos de electrónica física y microelectrónica, autor J. M. Albella.