ELECTRÓNICA PARA NEWBIES.

El transistor de efecto de campo o dispositivo de ley cuadrática es un dispositivo semiconductor de apariencia similar al transistor bipolar con tres patillas.

En la imagen puedes ver un semiconductor tipo n cuyo extremo superior se llama drenador, el extremo inferior fuente, y el punto medio puerta.

La fuente de alimentación V_dd obliga a los electrones libres a circular desde la fuente hacia el drenador. En la fabricación del JFET el fabricante difunde dos capas de semiconductor tipo P en un susbtrato tipo N. Además el tipo P está unido entre sí y de los cuales se saca un único terminal para crear la puerta.

La polarización habitual de un JFET es la que has visto anteriormente. Mientras mayor sea la fuente de tensión de la puerta menor será la corriente fuente - drenador. Esto se debe a que a mayor tensión en la puerta, mayor será el estrangulamiento de los electrones por el flujo principal. De ahí el nombre que se le da al transistor JFET de efecto de campo, porque las deplexiones del cristal P sobre la corriente principal hace que se creen zonas de polarización y recombinación que afecta al flujo normal de la corriente del circuito.

Además la corriente de puerta y la fuente forman lo que se conoce como diodo puerta - fuente. En un JFET se polariza siempre inversamente, ya que debido a dicha polarización, la corriente de puerta I_ges aproximadamente igual a cero. Lo que implica una resistencia de entrada casi infinita, hecho muy interesante para ciertos circuitos.

Tensión de la puerta controla la corriente drenador.

Si, ya lo he mencionado anteriormente. En la figura superior, los electrones circulan desde la fuente hasta el drenador pasando por el canal que deja las zonas de deplexión de la puerta. Si la tensión de la puerta es superior a cierto valor, el canal se estrecha aún más y aumenta la zona de deplexión, por lo que se limitará la corriente entre fuente y drenador. Para un valor maximo, la corriente por el JFET se interrumpirá.

Símbolo eléctrico.

En muchas aplicaciones de baja frecuencia la fuente y el drenador son intercambiables, es decir que puedes usar el drenador como fuente y viceversa. Pero en las aplicaciones de alta frecuencia no son intercambiables ya que el fabricante suele minimizar la capacidad interna del drenador lo que haria que en alta frecuencia la capacidad del drenador respecto a la de la fuente sea un problema.

Fijate que en el JFET de la derecha la puerta aparece desplazada. Es el mismo símbolo pero más técnico.

También suelen existir substratos tipo P en los JFET.

Características de salida.

La siguiente figura muestra un circuito en el cual a partir de un 20% de giro de potenciómetro empieza a circular corriente por el JFET.

Hasta entonces el JFET estaba a cero, pero a partir de cierto valor empieza a conducir, con lo que se puede decir que a cierto valor de la tensión de la puerta, comienza a conducir. Cuando llega un momento en que la tensión de base es mínima, la corriente por el substrato será máxima, y que es similar a conectar la puerta a la fuente.

Al cortocircuitar la puerta se consigue que la corriente sea máxima porque la tensión V_g = 0. Este momento es similar a la saturación del transistor bipolar. La siguiente figura muestra la gráfica de corriente del drenador I_D frente a la tensión de drenador V_DS para la situación de ambos circuitos. Puedes ver al principio de la conducción que la corriente del drenador se incrementa rapidamente al principio y después se estabiliza casi horizontal cuando V_DS es mayor que V_P

¿Cuando empieza a ser constante la corriente de drenador? Cuando la V_DS aumenta, las capas de deplexión de la puerta también lo hacen. Cuando V_DS = V_P las capas de deplexión están casi tocándose, por lo tanto se cierra el canal e impide posteriores aumentos de corriente. Y esto es el motivo por el cual la corriente máxima no será nunca mayor de la de la puerta en corto.

Podemos diferenciar entre varias zonas. La zona activa se localiza entre una tensión mínima V_P y una tensión máxima V_DS(max). La tensión mínima se denomina tension de estrangulamiento, y la tensión máxima se denomina tensión de ruptura. Entre el estrangulamiento y la ruptura, el JFET actúa como una fuente de corriente con un valor de I_DSS con V_GS = 0.

Todas las hojas de características dan el valor de I_DSS que es el valor de la corriente desde drenador hacia la fuente con la puerta en cortocircuito. Esta es la máxima corriente de drenador que un JFET puede conducir.

Características de transferencia.

La caracterísistica de transferencia de un JFET es una gráfica que representa los valores de I_D frente a V_GS. La curva no es lineal porque la corriente aumenta rapidamente cuando V_GS se aproxima a cero.

Cualquier JFET tiene una caracterísitca de transferencia como la de la figura siguiente. Los puntos finales de la curva son V_GS(off) e I_DSS. La ecuación para esta gráfica es:

En la ecuación anterior, debido a que está elevada al cuadrado, los JFET son también conocidos tambien como dispositivos de ley cuadrática. El cuadrado de esta cantidad provoca una curva no lineal cono las de la figura anterior.

La siguiente figura muestra la curva de transferencia normalizada. Esto implica que se representa razones normalizadas como I_D÷I_DSS y V_GS÷V_GS(off). En esta el punto medio de corte es:

VGS÷VGS(off) = 1÷2

Que produce una corriente normalizada de:

ID÷IDSS = 1÷4

En otras palabras, cuando la tensión de puerta es la mitad de la tensión de corte, la corriente de drenador es un cuarto del máximo.

Zona óhmica.

En la gráfica anterior puedes ver las características de salida en donde la tensión de estrangulamiento separa las dos zonas principales de funcionamiento del JFET. La parte casi horizontal es la zona activa. La parte casi vertical es la zona óhmica. cuando un JFET funciona en la zona óhmica, actúa como una resistencia pequeña con un valor aproximado de:

Siendo R_DS la resistencia óhmica del JFET. En la gráfica anterior, si V_P vale 4V y I_DSS vale 10mA, nos queda una resistencia en la zona óhmica de 400Ω

Polarización de la zona óhmica.

Para poolarizar un JFET en la zona óhmica, partiremos del siguiente circuito.

En la figura anterior puedes ver como una tensión negativa de puerta se aplica a través de la resistencia de puerta R2. Esto provoca que la corriente de drenador (de menor valor que I_DSS). Dicha corriente al circular por la resistencia de drenador produce una caída de tensión de valor:

Esta forma de polarización se llama polarización de puerta y no es la mejor polarización para polarizar un JFET, ya que en la zona activa el punto Q es demasiado inestable.

Por eso, aunque no es idónea, la polarización de puerta es idónea para la polarización en la zona óhmica ya que no importa la estabilización del punto Q.

Para conseguir una corriente de saturación saturada, hay que aplicar la siguiente fórmula:

Pero para asegurarnos de ello, tenemos que hacer que la corriente de drenador sea un 10% mayor que la corriente de drenador y la tensión de la puerta sea cero.

EJERCICIO RESUELTO.

En el momento en que la tensión del generador de señal vale cero, la tensión de entrada del drenador es casi igual a la tensión de la fuente.

En este caso la tensión de drenador es VS = 10V.

Cuando la tensión del generador es alta, la tensión de entrada vale cero. El límite superior de la recta de carga tiene una corriente continua para una corriente de saturacion de ID(sat) = 10V ÷ 10KΩ = 1mA.

La resistencia óhmica equivalente es de 10V÷1mA = 1KΩ

Y eso nos genra una tensión en el drenador de:

VD1000Ω ÷ 10KΩ + 1000Ω = 909mV

Polarización activa.

Los amplificadores JFET necesitan tener un punto Q en la zona activa. Como ya se ha demostrado, la polarizaciópn de puerta no es viable para el desarrollo de un amplificador. Pero en la amplificación utilizaremos métodos similares a la polarización de bipolares.

Polarización de tensión.

Como V_GS es negativa, la tensión de la fuente será ligeramente mayor que la tensión de la puerta. Cuando dividimos esta tensión de fuente entre la resistencia de fuente, obtenemos la corriente de drenador:

Cuando la tensión de la puerta es grande, podemos despreciar variaciones de V_GS desde un JFET al siguiente. Idealmente la corriente de drenador es igual a la tensión de la puewrta dividida entre la resistencia de fuente. Como resultado, la corriente de drenador es casi constante para cualquier JFET.

Para un amplificador el punto Q tiene que estar en la zona activa. Esto significa que V_DS es mucho mayor que I_DR_DS (zona óhmica) y menor que V_DD (corte). Cuando disponemos de una tensión grande, la polarización por división de tensión puede alcanzar un punto Q estable.

Recuerda que los JFETs tienen 3 zonas de funcionamiento: la zona óhmica, la zona activa y la zona de saturación.