1. TRANSISTOR JFET

1.1 INTRODUCCIÓN

El JFET es un dispositivo semiconductor en el que la corriente fluye por una zona denominada canal que une los terminales fuente y drenador. Esta corriente se controla mediante un campo eléctrico originado por una tensión aplicada en un tercer terminal denominado puerta.

Vamos a describir la estructura, funcionamiento, parámetros estáticos y relación corriente/tensión de un JFET de canal n.

1.2 ESTRUCTURA

En la figura 1 puede observarse su estructura típica, representación unidimensional y símbolo de circuito.

Según puede verse en la figura 1.b, se parte de una barra (canal) de material semiconductor tipo n en que se construyen dos contactos óhmicos en sus extremos (fuente y drenador).

La fuente es el terminal S, a través del cual los portadores mayoritarios entran en la barra.

El drenador es el terminal D, a través del cual los portadores mayoritarios salen de la barra.

El canal es la porción de material semiconductor (en este caso, tipo n) a través del cual los portadores se mueven desde la fuente al drenador.

Si se establece una tensión de alimentación VDS entre los extremos, se consigue hace circular una corriente a lo largo de la barra. Esta corriente está constituida por portadores mayoritarios (en este caso e-).

En los otros dos lados de la barra se forman dos regiones fuertemente dopadas con impurezas aceptadoras. Estas regiones se denominan puertas (G). Entre la puerta y la fuente se aplica una tensión VGS que polariza inversamente la unión pn entre la puerta y el canal (IG ≈ 0)

En un JFET de canal n: VDS > 0 VGS < 0 ID > 0 (entrante) IS < 0 (saliente)

Puesto que IG ≈ 0 ID ≈ -IS

Para un JFET de canal p basta con cambiar el sentido de las inecuaciones.

1.3 FUNCIONAMIENTO

El funcionamiento de un transistor JFET se basa en la modulación de la conductividad del canal por medio de la polarización inversa de la unión pn entre la puerta y el canal.

Al encontrarse el canal mucho menos impurificado que la puerta, la zona de deplexión se extenderá prácticamente sólo al canal, de esta forma, la anchura efectiva (sección conductora) del canal será tanto menor cuanto mayor sea la polarización inversa.

La modulación de la anchura de la zona de deplexión, y por tanto del canal, se realiza a través de dos tensiones:

VGS: el aumento de la zona de deplexión (estrechamiento del canal) se produce de manera uniforme a lo largo de las puertas.

VDS: el aumento de la zona de deplexión (estrechamiento del canal) se produce en las proximidades del drenador.

Tal y como se verá posteriormente, un valor límite de VGS que estrangule el canal de manera uniforme, provoca la ausencia de corriente en el mismo: ID = 0. Sin embargo, curiosamente, un valor límite de VDS que estrangule el canal en las proximidades del drenador, provoca la entrada en saturación del transistor: ID = ID,sat

A continuación, vamos a realizar un análisis cualitativo del funcionamiento del JFET para distintos valores de VGS y VDS.

VGS = 0

o VDS = 0 El transistor se encuentra en equilibrio (ID = 0). El canal entre las dos uniones pn puerta-canal está totalmente abierto. CORTE.

o VDS pequeñas Empezará a circular una corriente ID que será pequeña. La caída de tensión producida por ID a lo largo del canal también será pequeña y no influirá en la polarización inversa de las uniones pn puerta-canal. En estas condiciones, el canal está abierto y ID α VDS, siendo la constante de proporcionalidad la conductancia del canal (figuras 2b y 3a). Por lo tanto, el canal de tipo n actúa como una resistencia. ZONA ÓHMICA (REGIÓN LINEAL).

o VDS moderadas La corriente ID aumenta. La caída óhmica de tensión a lo largo del canal será apreciable (figura 2c). Esta caída óhmica de tensión polariza inversamente la uniones pn puerta-canal, con lo que el canal empezará a estrecharse (figura 2d). Esta contracción del canal no es uniforme, sino que tiene lugar en las proximidades del drenador, por ser dichos puntos los que están sometidos a un mayor potencial y, por tanto, a una mayor polarización inversa. Como consecuencia del estrechamiento del canal, la resistencia del canal aumenta y la característica ID/VDS suaviza su pendiente (figura 3b). ZONA ÓHMICA (REGIÓN GRADUAL).

o VDS = VDS,sat Si seguimos aumentando VDS, llegará un momento en el que el canal se haya contraido por completo en las proximidades del drenador y, por lo tanto, la conexión entre la fuente y el drenador desaparece: se dice que el canal se ha estrangulado. La tensión VDS a la que se produce este fenómeno se denomina tensión de drenador de saturación VDS,sat. En este caso, la pendiente de la característica ID/VDS se hace cero (figura 3c). SATURACIÓN

o VDS > VDS,sat a porción estrangulada del canal avanza un poco hacia la fuente y la característica ID/VDS se satura, es decir, ID permanece aproximadamente constante e igual al valor ID,sat (figuras 2f y 3c). SATURACIÓN.

o VDS > VDS,rup cuando la tensión VDS supera el máximo especificado para la unión, la corriente ID crece bruscamente con un aumento apenas apreciable de VDS y se produce la ruptura del transistor por avalancha. RUPTURA.

¿Cómo posible que el estrangulamiento del canal en las proximidades del drenador no elimine por completo cualquier flujo de corriente por el mismo? Supongamos que al alcanzar el estrangulamiento ID=0. Si ID=0, no existe corriente en ningún punto del canal, por lo tanto, el potencial a lo largo del canal será el mismo que con VDS=0, es decir, cero en todos los puntos del canal. Si fuera así, el canal debería estar totalmente abierto, lo cual contradice la suposición inicial de estrangulamiento del canal. Por lo tanto, en un JFET, para VDS ≥ VDS,sat, debe circular una corriente para inducir y mantener la condición de estrangulamiento del canal. Concretamente, los electrones que circulan desde la fuente al drenador son acelerados por el campo eléctrico de la zona de deplexión al alcanzar el punto de estrangulamiento.

VGS <0Debido a la tensión VGS aplicada, inicialmente el canal se encuentra uniformemente contraído a lo largo de las puertas, de manera que se repite el proceso anterior, pero con valores inferiores para la corriente ID y las tensiones de drenador de saturación VDS,sat y ruptura VDS,rup.

VGS = VT (VT <0)El canal se encuentra estrangulado de manera uniforme a lo largo de las puertas, lo cual provoca la ausencia de corriente en el mismo: ID = 0. CORTE.

VGS < VT (VT <0)El canal se encuentra estrangulado de manera uniforme a lo largo de las puertas, lo cual provoca la ausencia de corriente en el mismo: ID = 0. CORTE.

1.4 PARÁMETROS ESTÁTICOS

Corriente máxima de drenador

Potencial de estrangulamiento

Se define como potencial de estrangulamiento o potencial de pinch-off VP a la tensión del punto de estrangulamiento:

tensión positiva para un JFET de canal n

La tensión VP es una característica del transistor que se determina a partir de la geometría del mismo, por lo tanto, a mayor VGS aplicada menor VDS,sat es necesaria para que se produzca el estrangulamiento del canal.

Tensión de corte

Se define como tensión de corte VT a la tensión de puerta que elimina todas las cargas libres del canal con independencia de cual sea la tensión VDS aplicada:

tensión negativa para un JFET de canal n

La tensión VT es una característica del transistor que se determina a partir de la geometría del mismo, por lo tanto, a mayor VGS aplicada menor VDS,sat es necesaria para que se produzca el corte del transistor.

1.5 RELACIÓN CORRIENTE/TENSIÓN

* NOTA IMPORTANTE: si en un problema nos dan como dato VP, consideraremos que dicha tensión es en realidad VT (recordad que se trata de una tensión de puerta).

ZONA ÓHMICA

Comprobación:

El JFET trabajando en la zona óhmica actúa como una VDR: una resistencia controlada por la tensión VGS.

Simplificación para la zona lineal ( ):

ZONA DE SATURACIÓN

Comprobación:

Tal y como indica la ecuación, en la zona de saturación la corriente ID es independiente del valor de VDS, actuando el transistor como una fuente de corriente constante controlada por la tensión VGS.

LÍMITE ENTRE LA ZONA ÓHMICA Y LA DE SATURACIÓN

En el límite entre la zona óhmica y la de saturación se cumple que:

Por lo tanto, en la ecuación general nos queda la ecuación de la parábola frontera entre las dos zonas: