Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

JFET

El transistor de efecto de campo de unión ( JFET ) es uno de los tipos más simples de transistor de efecto de campo . [ 1 ] Los JFET son dispositivos semiconductores de tres ter...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

El transistor de efecto de campo de unión ( JFET ) es uno de los tipos más simples de transistor de efecto de campo . [ 1 ] Los JFET son dispositivos semiconductores de tres terminales que pueden usarse como interruptores o resistencias controlados electrónicamente , o para construir amplificadores .

A diferencia de los transistores bipolares de unión , los JFET se controlan exclusivamente por voltaje, ya que no requieren una corriente de polarización . La carga eléctrica fluye a través de un canal semiconductor entre los terminales de fuente y drenaje . Al aplicar un voltaje de polarización inversa a un terminal de puerta , el canal se estrecha , impidiendo o interrumpiendo por completo el flujo de corriente eléctrica . Un JFET suele conducir cuando el voltaje entre sus terminales de puerta y fuente es cero. Si se aplica una diferencia de potencial de la polaridad adecuada entre sus terminales de puerta y fuente, el JFET se volverá más resistente al flujo de corriente, lo que significa que fluirá menos corriente por el canal entre los terminales de fuente y drenaje.

Los JFET a veces se denominan dispositivos de modo de agotamiento , ya que se basan en el principio de una región de agotamiento , que carece de portadores de carga mayoritarios . La región de agotamiento debe cerrarse para permitir el flujo de corriente.

Los JFET pueden tener un canal de tipo n o de tipo p . En el tipo n, si la tensión aplicada a la compuerta es negativa con respecto a la fuente, la corriente se reducirá (de forma similar en el tipo p, si la tensión aplicada a la compuerta es positiva con respecto a la fuente). Debido a que un JFET en una configuración de fuente común o drenador común tiene una gran impedancia de entrada [ 2 ] (a veces del orden de 10¹⁰ ohmios ) , se extrae poca corriente de los circuitos utilizados como entrada a la compuerta. 

Historia

En las décadas de 1920 y 1930, Julius Lilienfeld patentó una serie de dispositivos similares a los transistores de efecto de campo (FET) . Sin embargo, la ciencia de los materiales y la tecnología de fabricación requerirían décadas de avances antes de que los FET pudieran fabricarse realmente.

El JFET fue patentado por primera vez por Heinrich Welker en 1945. [ 3 ] Durante la década de 1940, los investigadores John Bardeen , Walter Houser Brattain y William Shockley intentaron construir un FET, pero fracasaron en sus repetidos intentos. Descubrieron el transistor de contacto puntual mientras intentaban diagnosticar las razones de sus fallos. Tras el tratamiento teórico del JFET realizado por Shockley en 1952, George C. Dacey e Ian M. Ross construyeron un JFET práctico y funcional en 1953. [ 4 ] Los ingenieros japoneses Jun-ichi Nishizawa y Y. Watanabe solicitaron una patente para un dispositivo similar en 1950, denominado transistor de inducción estática (SIT). El SIT es un tipo de JFET con un canal corto. [ 4 ]

La conmutación de alta velocidad y alto voltaje con JFETs se volvió técnicamente factible tras la introducción comercial de dispositivos de banda prohibida ancha de carburo de silicio (SiC) en 2008. Debido a las dificultades iniciales en la fabricación —en particular, las inconsistencias y el bajo rendimiento— , los JFETs de SiC siguieron siendo un producto de nicho al principio, con costos correspondientemente altos. Para 2018, estos problemas de fabricación se habían resuelto en su mayoría. Para entonces, los JFETs de SiC también se usaban comúnmente junto con MOSFETs de silicio convencionales de bajo voltaje. [ 5 ] En esta combinación, los dispositivos JFET de SiC + MOSFET de Si tienen las ventajas de los dispositivos de banda prohibida ancha, así como la fácil conducción de puerta de los MOSFETs. [ 5 ]

Estructura

El JFET es un canal largo de material semiconductor , dopado para contener una gran cantidad de portadores de carga positivos o huecos ( tipo p ), o de portadores negativos o electrones ( tipo n ). Los contactos óhmicos en cada extremo forman la fuente (S) y el drenador (D). Se forma una unión pn en uno o ambos lados del canal, o rodeándolo, utilizando una región con dopaje opuesto al del canal, y se polariza mediante un contacto de puerta óhmico (G).

Funciones

Características I-V y gráfica de salida de un JFET de canal n

El funcionamiento de un JFET se puede comparar con el de una manguera de jardín . El flujo de agua a través de una manguera se controla comprimiéndola para reducir su sección transversal , y el flujo de carga eléctrica a través de un JFET se controla estrechando el canal conductor de corriente. La corriente también depende del campo eléctrico entre la fuente y el drenador (de forma análoga a la diferencia de presión en ambos extremos de la manguera). Esta dependencia de la corriente no se corresponde con las características mostradas en el diagrama anterior para una determinada tensión aplicada. Esta es la región de saturación , y el JFET normalmente opera en esta región de corriente constante, donde la corriente del dispositivo prácticamente no se ve afectada por la tensión drenador-fuente. El JFET comparte esta característica de corriente constante con los transistores de unión y con los tetrodos y pentodos de tubos termoiónicos (válvulas).

La constricción del canal conductor se logra mediante el efecto de campo : se aplica un voltaje entre la compuerta y la fuente para polarizar inversamente la unión pn compuerta-fuente, ensanchando así la capa de agotamiento de esta unión (véase la figura superior), invadiendo el canal conductor y restringiendo su área de sección transversal. La capa de agotamiento se denomina así porque está desprovista de portadores móviles y, por lo tanto, es eléctricamente no conductora a efectos prácticos. [ 6 ]

Cuando la capa de agotamiento abarca todo el ancho del canal de conducción, se produce el estrangulamiento y la conducción entre drenador y fuente se detiene. El estrangulamiento ocurre a una polarización inversa particular ( VGS ) de la unión puerta-fuente. La tensión de estrangulamiento (Vp ) ( también conocida como tensión umbral [ 7 ] [ 8 ] o tensión de corte [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] ) varía considerablemente, incluso entre dispositivos del mismo tipo. Por ejemplo, VGS (off) para el dispositivo Temic J202 varía de -0,8 V a -4 V [ 12 ] , mientras que VGS (off) para el J308 varía entre -1 V y -6,5 V [ 13 ] . (Curiosamente, el término tensión de estrangulamiento también se utiliza para referirse al valor VDS que separa las regiones lineal y de saturación [ 10 ] [ 11 ] ) .

Para apagar un dispositivo de canal n se requiere un voltaje puerta-fuente negativo ( VGS ) . Por el contrario, para apagar un dispositivo de canal p se requiere un VGS positivo .

En condiciones normales de funcionamiento, el campo eléctrico generado por la compuerta bloquea en cierta medida la conducción entre la fuente y el drenador.

Algunos dispositivos JFET son simétricos con respecto a la fuente y el drenador.

Símbolos esquemáticos

Símbolo de circuito para un JFET de canal n
Símbolo de circuito para un JFET de canal p

En ocasiones, la compuerta del JFET se dibuja en el centro del canal (en lugar de en el electrodo de drenaje o fuente, como en estos ejemplos). Esta simetría sugiere que "drenaje" y "fuente" son intercambiables, por lo que el símbolo solo debe usarse para aquellos JFET en los que efectivamente lo sean.

El símbolo puede dibujarse dentro de un círculo (que representa la envoltura de un dispositivo discreto) si la carcasa es importante para el funcionamiento del circuito, como en el caso de componentes duales emparejados en el mismo paquete. [ 14 ]

En todos los casos, la punta de flecha indica la polaridad de la unión P-N formada entre el canal y la compuerta. Al igual que en un diodo común , la flecha apunta de P a N, la dirección de la corriente convencional cuando está polarizado en directa. Una regla mnemotécnica en inglés es que la flecha de un dispositivo de canal N "apunta hacia N ".

Comparación con otros transistores

A temperatura ambiente, la corriente de puerta del JFET (la fuga inversa de la unión puerta-canal ) es comparable a la de un MOSFET (que tiene óxido aislante entre la puerta y el canal), pero mucho menor que la corriente de base de un transistor de unión bipolar . El JFET tiene mayor ganancia ( transconductancia ) que el MOSFET, así como menor ruido de parpadeo , y por lo tanto se utiliza en algunos amplificadores operacionales de bajo ruido y alta impedancia de entrada . Además, el JFET es menos susceptible a daños por acumulación de carga estática. [ 15 ]

Modelo matemático

Región óhmica lineal

La corriente en N-JFET debida a un pequeño voltaje V DS (es decir, en la región lineal u óhmica [ 16 ] o triodo [ 7 ] ) viene dada al tratar el canal como una barra rectangular de material de conductividad eléctrica.qnortedμnorte{\displaystyle qN_{d}\mu _{n}}: [ 17 ]

ID=bWLqnortedμnorteVDS,{\displaystyle I_{\text{D}}={\frac {bW}{L}}qN_{d}\mu _{n}V_{\text{DS}},}

dónde

I D = corriente drenador-fuente,
b = espesor del canal para un voltaje de puerta dado,
W = ancho del canal,
L = longitud del canal,
q = carga del electrón = 1,6 × 10 −19  C,
μ n = movilidad de los electrones ,
N d = concentración de dopaje de tipo n (donante),
V P = tensión de estrangulamiento.

Entonces, la corriente de drenaje en la región lineal se puede aproximar como

ID=bWLqnortedμnorteVDS=aWLqnortedμnorte(1−VGSVPAG)VDS.{\displaystyle I_{\text{D}}={\frac {bW}{L}}qN_{d}\mu _{n}V_{\text{DS}}={\frac {aW}{L}}qN_{d}\mu _{n}\left(1-{\sqrt {\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}}\right)V_{\text{DS}}.}

En términos deIDSS{\displaystyle I_{\text{DSS}}}, la corriente de drenaje se puede expresar como

ID=2IDSSVPAG2(VGS−VPAG−VDS2)VDS.{\displaystyle I_{\text{D}}={\frac {2I_{\text{DSS}}}{V_{\text{P}}^{2}}}\left(V_{\text{GS}}-V_{\text{P}}-{\frac {V_{\text{DS}}}{2}}\right)V_{\text{DS}}.}

Región de corriente constante

La corriente de drenaje en la región de saturación o activa [ 18 ] [ 7 ] o de estrangulamiento [ 19 ] a menudo se aproxima en términos de polarización de puerta como [ 17 ].

IDS=IDSS(1−VGSVPAG)2,{\displaystyle I_{\text{DS}}=I_{\text{DSS}}\left(1-{\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}\right)^{2},}

donde I DSS es la corriente de saturación a voltaje puerta-fuente cero, es decir, la corriente máxima que puede fluir a través del FET desde el drenador a la fuente a cualquier voltaje drenador-fuente (permitido) (ver, por ejemplo, el diagrama de características I - V anterior).

En la región de saturación , la corriente de drenaje del JFET se ve afectada de forma más significativa por la tensión puerta-fuente y apenas se ve afectada por la tensión drenaje-fuente.

Si el dopaje del canal es uniforme, de modo que el espesor de la región de agotamiento crecerá en proporción a la raíz cuadrada del valor absoluto del voltaje puerta-fuente, entonces el espesor del canal b puede expresarse en términos del espesor del canal de polarización cero a como [ 20 ].

b=a(1−VGSVPAG),{\displaystyle b=a\left(1-{\sqrt {\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}}\right),}

dónde

V P es la tensión de estrangulamiento , la tensión puerta-fuente en la que el grosor del canal se vuelve cero, 
a es el espesor del canal con voltaje puerta-fuente cero.

Transconductancia

La transconductancia para el FET de unión viene dada por

gramometro=2IDSS|VPAG|(1−VGSVPAG),{\displaystyle g_{\text{m}}={\frac {2I_{\text{DSS}}}{|V_{\text{P}}|}}\left(1-{\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}\right),}

dóndeVPAG{\displaystyle V_{\text{P}}}es la tensión de estrangulamiento, e I DSS es la corriente máxima de drenaje. Esto también se llamagramofs{\displaystyle g_{\text{fs}}}oyfs{\displaystyle y_{\text{fs}}}(para transadmitancia ). [ 21 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Hall, John. "JFET discreto" (PDF) . linearsystems.com . Archivado (PDF) del original el 9 de octubre de 2022.
  2. ↑ "Transistor de efecto de campo de unión" . Tutoriales de electrónica . Archivado del original el 31/01/2022 . Consultado el 19/06/2022 .
  3. ↑ Grundmann, Marius (2010). La Física de los Semiconductores . Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-13884-3.
  4. 1 2 Dispositivos de efecto de campo de unión , Dispositivos semiconductores para acondicionamiento de energía , 1982.
  5. 1 2 Flaherty, Nick (18 de octubre de 2018), "El JFET de SiC de tercera generación añade opciones de 1200 V y 650 V" , EeNews Power Management.
  6. ↑ Para una discusión sobre la estructura y el funcionamiento del JFET, véase, por ejemplo, D. Chattopadhyay (2006). "§13.2 Transistor de efecto de campo de unión (JFET)" . Electrónica (fundamentos y aplicaciones) . New Age International. págs. 269 y ss . ISBN  978-8122417807.
  7. 1 2 3 "Transistor de efecto de campo de unión (JFET)" (PDF) . Notas de clase de ETEE3212 . Archivado (PDF) del original el 09/10/2022. valor de v GS ... para el cual el canal está completamente agotado ... se llama voltaje umbral o de estrangulamiento y ocurre en v GS = V GS(OFF) . ... Esta región lineal de operación se llama óhmica (o a veces triodo) ... Más allá de la rodilla de la región óhmica, las curvas se vuelven esencialmente planas en la región activa (o de saturación ) de operación.
  8. ↑ Sedra, Adel S.; Smith, Kenneth C. "5.11 EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO DE UNIÓN (JFET)" (PDF) . Circuitos microelectrónicos . Archivado (PDF) del original el 09-10-2022. En este valor de v GS el canal está completamente agotado... Para los JFET , la tensión umbral se denomina tensión de estrangulamiento y se denota V P.
  9. ↑ Horowitz, Paul; Hill, Winfield (1989). El arte de la electrónica (2.ª ed.). Cambridge [Inglaterra]: Cambridge University Press. pág. 120. ISBN   0-521-37095-7OCLC 19125711. Para los JFET , la tensión puerta-fuente en la que la corriente de drenaje se aproxima a cero se denomina "tensión de corte puerta-fuente", V GS(OFF) , o "tensión de estrangulamiento", V P ... Para los MOSFET de modo de enriquecimiento, la magnitud análoga es la "tensión umbral". 
  10. 1 2 Mehta, VK; Mehta, Rohit (2008). "19 Transistores de efecto de campo" (PDF) . Principios de electrónica (11.ª ed.). S. Chand. págs. 513–514 . ISBN   978-8121924504OCLC 741256429. Archivado del original (PDF) el 09/10/2022. Voltaje de estrangulamiento ( VP ). Es el voltaje mínimo drenador-fuente en el que la corriente de drenaje se vuelve esencialmente constante. ... Voltaje de corte puerta-fuente VGS (off) . Es el voltaje puerta-fuente donde el canal se corta completamente y la corriente de drenaje se vuelve cero . 
  11. 1 2 U. A. Bakshi; Atul P. Godse (2008). Ingeniería electrónica . Publicaciones técnicas. pág. 10. ISBN  978-81-8431-503-5No confunda el corte con el estrangulamiento. La tensión de estrangulamiento V P es el valor de V DS en el que la corriente de drenaje alcanza un valor constante para un valor dado de V GS . ... La tensión de corte V GS(off) es el valor de V GS en el que la corriente de drenaje es 0.
  12. ↑ "Hoja de datos J201" (PDF) . Archivado (PDF) del original el 09/10/2022 . Consultado el 22/01/2021 .
  13. ↑ "Serie U/J/SST308: Amplificador JFET de alta frecuencia de un solo canal N" (PDF) . 25/07/2019 . Consultado el 03/02/2025 .
  14. ↑ "A4.11 Sobre o Anexo". ANSI Y32.2-1975 (PDF) . Archivado (PDF) del original el 09/10/2022. El símbolo del sobre o anexo puede omitirse de un símbolo que haga referencia a este párrafo, cuando no se produzca confusión.
  15. ↑ Kopp, Emilie (16 de enero de 2019). "¿Cuál es la diferencia entre un MOSFET y un JFET?" . Consejos de electrónica de potencia . Archivado del original el 17 de mayo de 2021 . Consultado el 16 de junio de 2022 .
  16. ↑ "¿Qué es la región óhmica de un transistor FET?" www.learningaboutelectronics.com . Consultado el 13 de diciembre de 2020. Región óhmica... también llamada región lineal.
  17. 1 2 Balbir Kumar y Shail B. Jain (2013). Dispositivos y circuitos electrónicos . PHI Learning Pvt. Ltd. págs. 342–345 . ISBN  9788120348448.
  18. ↑ "Transistor de efecto de campo de unión" . Tutoriales de electrónica . Región de saturación o activa.
  19. ↑ Scholberg, Kate (23-03-2017). "¿Qué significa "región de estrangulamiento"?" . La "región de estrangulamiento" (o "región de saturación") se refiere al funcionamiento de un FET conVds{\displaystyle V_{ds}}más de unos pocos voltios.
  20. ↑ Storr, Wayne (2013-09-03). "Tutorial sobre transistores de efecto de campo de unión o JFET" . Tutoriales básicos de electrónica . Consultado el 2022-10-07 .
  21. ↑ Kirt Blattenberger RF Cafe. "JFETS: Cómo funcionan, cómo usarlos, mayo de 1969 Radio-Electronics" . Consultado el 4 de enero de 2021. y fs – Transadmitancia directa de fuente común de pequeña señal (a veces llamada transconductancia g fs )
  • Logotipo de Wikimedia CommonsContenido multimedia relacionado con JFET en Wikimedia Commons
  • Laboratorio de Física 111 - Circuitos JFET I
  • Explicación interactiva del JFET de canal n