El transistor FET (Electrónica analógica)

Abstract

The JFET is a device unipolar, since in its operation
the majority payees intervene only. 2 types of JFET exist: of
"channel N" and "of channel P.

The physical structure of a JFET (transistor of effect
field of union) it consists on a channel of semiconductor type n
or p depending on the type of JFET, with contacts ohmics in each
end, called source and drean. To the sides of the channel two
regions of material semiconductor of different type exist to the
channel, connected to each other, forming the door
terminal.

The channel JFET n this polarized inversely by that that
practically any current doesn't enter through the terminal of the
door.

The channel JFET p, has an inverse structure to that of
channel n; being therefore necessary their door polarization also
inverse regarding that of channel n.

In the symbol of the device, the arrow indicates the
sense of direct polarization of the union pn.

The current also goes it presents a double dependence
the one that is that the drainage current is proportional to the
value of you and the width of the channel is proportional to the
difference between VGS and VP. As you GO it is limited by the
resistance of the channel, as much as adult is VGS – VP, adult
will be the width of the channel and bigger the obtained
current.

For the calculate of the JFET the equation called
equation of Shockley it is used

Index Terms: Transistor FET.

Introducción

El estudio de la electrónica continúa con
el conocimiento de los transistores JFET. Para el caso de los
transistores de efecto de campo más conocidos como JFET la
relación entre las variables de entrada y salida es no
lineal debido a la ecuación de Shockley.

Para el cálculo de éstos se usa el
método matemático, además también se
utiliza el método grafico el cual es el más
utilizado.

Destacando que la ecuación mencionada
anteriormente es la misma para todas las configuraciones de red
del JFET siempre y cuando el dispositivo se encuentre en la
región activa. La red define el nivel de corriente y
voltaje asociado con el punto de operación mediante su
propio conjunto de ecuaciones.

Este tipo de transistor se lo puede configurar de
diferentes formas como son polarización con dos fuentes,
auto polarización; con resistencia de source y sin ella, y
polarización con dos fuentes. Además estos
transistores FET existen de dos tipos que son de tipo n y p, que
en su simbología se lo reconoce por el signo de la
flecha.

OBJETIVOS

Diseñar, comprobar, simular y calcular el
funcionamiento de los siguientes circuitos de
polarización con el transistor FET.
Polarización con dos
fuentes.
Auto polarización:
Con resistencia de source.
Sin resistencia de source.
Polarización con divisor de
tensión.
Polarización con fuente
doble.

Marco
teórico

3.1 EL TRANSISTOR FET

El JFET es un dispositivo unipolar, ya que en su
funcionamiento sólo intervienen los portadores
mayoritarios. Existen 2 tipos de JFET: de "canal N" y "de canal
P".

Figura 1: Símbolos de los
transistores JFET, canal N y canal
P.

Al comparar el JFET con el TBJ se aprecia que el drenaje
(D) es análogo al colector, en tanto que el surtidor (S)
es análogo al emisor. Un tercer contacto, la compuerta
(G), es análogo a la base.

La estructura física de un JFET (transistor de
efecto campo de unión) consiste en un canal de
semiconductor tipo n o p dependiendo del tipo de JFET, con
contactos óhmicos (no rectificadores) en cada extremo,
llamados FUENTE y DRENADOR. A los lados del canal existen dos
regiones de material semiconductor de diferente tipo al canal,
conectados entre sí, formando el terminal de
PUERTA.

• En el caso del JFET de canal N, la unión
puerta – canal, se encuentra polarizada en inversa, por lo
que prácticamente no entra ninguna corriente a
través del terminal de la puerta.

El JFET de canal p, tiene una estructura inversa a la de
canal n; siendo por tanto necesaria su polarización de
puerta también inversa respecto al de canal n.

• Los JFET se utilizan preferiblemente a los MOSFET
en circuitos discretos.

• En el símbolo del dispositivo, la flecha
indica el sentido de polarización directa de la
unión pn.

3.1.1 PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL JFET (DE
CANAL N).

En la unión pn, al polarizar en inversa la puerta
y el canal, una capa del canal adyacente a la puerta se convierte
en no conductora. A esta capa se le llama zona de carga espacial
o deplexión.

• Cuanto mayor es la polarización inversa,
más gruesa se hace la zona de deplexión; cuando la
zona no conductora ocupa toda la anchura del canal, se llega al
corte del canal. A la tensión necesaria para que la zona
de deplexión ocupe todo el canal se le llama
tensión puerta-fuente de corte (VGSoff ó Vto). Esta
tensión es negativa en los JFET de canal n.

En funcionamiento normal del JFET canal n, D es positivo
respecto a S.

La corriente va de D a S a través del
canal.

Como la resistencia del canal depende de la
tensión GS, la corriente de drenador se controla por dicha
tensión.

Figura 2: Estados del JFET canal
N

Zona
lineal

Si en la estructura del transistor de canal n se aplica
una tensión VDS mayor que cero, aparecerá una
corriente circulando en el sentido del drenaje al surtidor,
corriente que llamaremos ID. El valor de dicha corriente
estará limitado por la resistencia del canal N de
conducción. En este caso pueden distinguirse dos
situaciones, según sea VDS grande o pequeña en
comparación con VDS.

VALORES PEQUEÑOS DE VOLTAJE
VDS.

La siguiente figura muestra la situación cuando
se polariza la unión GS una tensión negativa,
mientras que se aplica una tensión menor entre D y
S.

Por la terminal de puerta (G) no circula más que
la corriente de fuga del diodo GS, que en una primera
aproximación podemos considerar despreciable. La corriente
ID presenta una doble dependencia:

La corriente ID es directamente proporcional al
valor de VDS.
La anchura del canal es proporcional a la diferencia
entre VGS y VP. Como ID está limitada por la
resistencia del canal, cuanto mayor sea VGS – VP, mayor
será la anchura del canal y mayor la corriente
obtenida.

Los dos puntos anteriores se recogen en la siguiente
expresión: ID = ( VGS – VP )VDS

Por lo tanto en la región lineal obtenemos una
corriente directamente proporcional a VGS y VDS.

VALORES ALTOS DE VDS.

Para Valores altos de VDS comparables y superiores
a VGS, la situación cambia con respecto al caso anterior.
La resistencia del canal se convierte en no lineal, y el
JFet pierde su comportamiento óhmico.

Cuando se aplica un voltaje VDS al canal de 5 volts por
ejemplo, éste se distribuye a lo largo del canal, es
decir, en las proximidades del terminal D, la tensión
será de 5 volts, pero a medio camino circulante la
corriente habrá reducido su potencial a la mitad (2,5 V),
y en el terminal S el voltaje será nulo. Por otra parte,
si VGS es negativo (-2 V, por ejemplo), la tensión se
distribuirá uniformemente a lo largo de la zona al no
existir ninguna corriente.

En las proximidades del terminal S la tensión
inversa aplicada es de 2 V, que corresponde con la VGS = -2 V.
Sin embargo, conforme nos acercamos a D esta tensión
aumenta: en la mitad del canal es de 4.5 V y en D alcanza 7 V. La
polarización inversa aplicada al canal no es constante por
lo que la anchura de la zona de depleción tampoco lo
será. Cuando VDS es pequeña, esta diferencia de
anchuras no afecta a la conducción en el canal, pero
cuando aumenta, la variación en la sección de
conducción hace que la corriente de drenaje sea una
función no lineal de VDS y que disminuya con respecto a la
obtenida sin tener en cuenta este efecto.

Ecuaciones del
FET

El desempeño del Transistor de Efecto de Campo
(FET) fue propuesto por W. Shockley, en 1952. De ahí el
nombre que rige la ecuación de este tipo de transistores;
la llamada "ECUACIÓN DE SHOCKLEY".

ID
= Corriente de
Drenaje

IDSS = Corriente de
Drenaje de Saturación

VGS = Voltaje
Puerta-Fuente

VP =
Voltaje de ruptura o Pinch Voltage.

Id=Idss1-VGSVp2

Figura 3. Recta de
carga

3.1.3 CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL TRANSISTOR DE
EFECTO DE CAMPO.

Figura 4. Zona de funcionamiento del
FET

LISTA DE MATERIALES.

Materiales			PRECIO
5 Transistores FET MPF 102			$ 2.50
12 Resistencias			$ 0.36
total			$ 2.86

Tabla 1. Presupuesto

CÁLCULOS.

Polarización con dos fuentes.

Figura 5. Polarización con dos
fuentes

DATOS:

Auto polarización:
Con resistencia de source.

Figura 6. Polarización con
resistencia de source

DATOS:

Sin resistencia de source.

Figura 7. Polarización sin
resistencia de source.

DATOS

Polarización con divisor de
tensión.

Figura 8. Polarización con
divisor de tensión

DATOS

Polarización con fuente doble.

Figura 9. Polarización con
doble fuente.

DATOS

SIMULACIONES

En los anexos sección 11

ANÁLISIS DE DATOS

Polarización con dos
fuentes

	Medidos	Simulados	Calculados
VDD	12.01 V	12 V	12 V
VDS	5.68 V	5.97 V	6 V
VGS	-0.75 V	-0.73 V	-0.73 V
VRD	6.3 V	6.02 V	6 V
ID	3.72 mA	3.54 mA	3.5 mA

Tabla 2. Datos medidos
(polarización con dos fuentes)

Grafica 1. Relación entre VDS
medido, simulado y calculado

Grafica 2. Relación entre ID
medido, simulado y calculado

Auto polarización
Con resistencia de source

	Medidos	Simulados	Calculados
VDD	12.02 V	12 V	12 V
VDS	5.99 V	5.93 V	6 V
VGS	-1.04 V	-0.95 V	-1 V
ID	7.59 mA	7.99 mA	7.74 mA

Tabla 3. Datos medidos (auto
polarización con resistencia de source)

Grafica 3. Relación entre VDS
medido, simulado y calculado

Grafica 4. Relación entre ID
medido, simulado y calculado

Sin resistencia de source

	Medidos	Simulados	Calculados
VDD	11.99 V	12 V	12 V
VDS	6.01 V	6.18 V	6 V
VGS	0 V	0 V	0 V
VRD	5.98 V	6.17 V	6 V
ID	13.35 mA	13.4 mA	13 mA

Tabla 4. Datos medidos (auto
polarización sin resistencia de source)

Grafica 5. Relación entre VDS
medido, simulado y calculado

Grafica 6. Relación entre ID
medido, simulado y calculado

Con divisor de tensión

	Medidos	Simulados	Calculados
VDD	19.83 V	20 V	20 V
VDS	10.08 V	10.09 V	10 V
VGS	-0.69 V	-0.53 V	-0.58 V
ID	3 mA	2.98 mA	3 mA

Tabla 5. Datos medidos (con divisor de
tensión)

Grafica 7. Relación entre VDS
medido, simulado y calculado

Grafica 8. Relación entre ID
medido, simulado y calculado

Doble fuente

	Medidos	Simulados	Calculados
VDD	11.98 V	12 V	12 V
VDS	4.31 V	4.45 V	4 V
VGS	-0.74 V	-0.8 V	-1 V
VSS	-4 V	-4 V	-4 V
ID	2.63 mA	2.55 mA	2.65 mA

Tabla 6. Datos medidos (doble
fuente)

Grafica 9. Relación entre VDS
medido, simulado y calculado

Grafica 10. Relación entre ID
medido, simulado y calculado

Análisis: al tratar de resolver los
circuitos con el transistor FET tuvimos que valernos de
resoluciones de ecuaciones para tratar de resolverlos, así
como también la imposición de algunos datos para
facilitar los cálculos. Los parámetros fueron
tomados de la guía de uso que viene con el FET y tuvimos
que tomar esos datos de los rangos indicados. También cabe
decir que si el punto de trabajo debe estar a la mitad el valor
de VDS debe ser VDD/2, para trabajar a la mitad de la recta de
carga.

Conclusiones

Los valores medidos se asemejan a los calculados y
simulados, solo con un pequeño margen de error debido a
las resistencias o a las características del FET.
(Sección 7-Analsis de Datos).

Se pudo comprobar que la corriente de drain que depende
del voltaje gate source, obedece casi exactamente a la
ecuación de shockley.

Id=Idss1-VGSVp2

Se puede observar que la curva característica a
la salida del FET es muy similar a la de un BJT. (Anexos
11.1)

Puedo decir que para que las mediciones de esta
práctica sean aceptables y tengan el menor número
de errores en las mismas con respecto a los cálculos
tuvimos que ajustar las resistencias lo más posible a las
calculadas teniendo en algunos casos que poner las resistencias
en serie o en paralelo ya que los valores de las mismas si se
alejaban mucho cambian los valores de corriente y voltaje a
rangos que no son aceptables; es decir que para el Transistor FET
funcione correctamente las resistencias deben ser lo más
exactas posibles.

Los valores de los JFET pueden ser diferentes aunque
sean del mismo tipo por lo que primero tuvimos que obtener los
valores reales de Vp y de IDSS. (Sección
5-calculos-datos)

CONCLUSIONS

The measured values resemble each other to those
calculated and feigned, alone with a small error margin due to
the resistances or to the characteristics of FET. (Section
7-Analsis of Data).

It could be proven that the drain current that depends
on the voltage gate source, obeys the shockley equation almost
exactly.

Id=Idss1-VGSVp2

One can observe that the characteristic curve to the
exit of FET is very similar to that of a BJT. (Annexes
11.1)

I can say that so that the mensurations of this practice
are acceptable and have the smallest number of errors in the same
ones with regard to the calculations we had to adjust the
resistances the most possible thing to those calculated having in
some cases that to put the resistances in series or in parallel
since the values of the same ones if they went away a lot they
change the current values and voltage to ranges that are not
acceptable; that is to say that for the Transistor FET works the
resistances correctly they should be the most exact
possible.

The values of JFET can be different although they are of
the same type for that that first we had to obtain the real
values of Vp and of IDSS. (Section 5-calculation-data)