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APUNTE: CONSTRUCCIÓN Y CARACTERÍSTICASDE LOS JFET

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INDICE

Construcción y Características de los JFET……………………….……… Pág. 04Relaciones de Corrientes y Voltajes……………………………..………… Pág. 07Aplicación de la Ecuación de Shockley………………………………….… Pág. 08El JFET v/s El Transistor (BJT)…………………………………………...… Pág. 09Polarización del JFET………………………………………………...……… Pág. 09Modelo Simple del JFET en Señal Pequeña……………………………… Pág. 11Mosfet.....……………………………………………………………………… Pág. 12Construcción básica de un Mosfet de tipo decremental de unempobrecimiento..................................................................................... Pág. 12Operación y Características básicas del Mosfet de empobrecimiento.... Pág. 13Manejo de los Mosfet………………………………………………………… Pág. 16Cmos.......……………………………………………………………………… Pág. 16

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CONSTRUCCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS JFET.

El JFET es un dispositivo de tres terminales, siendo una de ellas capaz decontrolar el flujo de corriente entre las otras dos terminales. En general hay dostipos de JFET, denominadas de canal N y canal P. Para el análisis utilizaremosfundamentalmente el JFET canal - N y por analogía se darán párrafos dedicadosa los efectos resultantes del uso de un JFET de canal - P.

La construcción básica del JFET de canal - N se muestra en la figura 1. Observeque la mayor parte de la estructura es el material tipo n que forma el canal entrelas capas difundidas en material tipo p. El extremo superior del canal tipo n seconecta mediante contacto óhmico a la terminal denominada como drenaje (drain)(D), mientras que el extremo inferior del mismo material se conecta por medio decontacto óhmico a la terminal llamada la fuente (source) (S). Los dos materialestipo p se encuentran conectados juntos y al mismo tiempo hacia la terminal decompuerta (gate) (G). Por tanto, el drenaje y la fuente se conectan en esencia alos extremos del canal tipo n y la compuerta, a las dos capas del material tipo p.En ausencia de cualquiera de los potenciales aplicados, el JFET tiene dos unionesp-n bajo condiciones sin polarización. El resultado es una región de agotamientoen cada unión, como se ilustra en la figura 1, que se parece a la misma región deun diodo bajo condiciones sin polarización. Recuérdese también que una regiónde agotamiento es aquella región carente de portadores libres y por lo tantoincapaz de permitir la conducción a través de la región.

a) Estructura b) Simbología

Figura #1: Transistor de unión de efecto de campo (JFET) canal N.

Muy pocas veces las analogías son perfectas y en ocasiones pueden serengañosas, pero la analogía hidráulica de la figura 2 proporciona un sentido alcontrol del JFET en la terminal de compuerta y a la conveniencia de laterminología aplicada a las terminales del dispositivo. La fuente de la presión delagua puede asemejarse al voltaje aplicado del drenaje a la fuente, el cualestablecerá un flujo de agua (equivalente al flujo de electrones) desde el grifo ollave (fuente). La "compuerta", por medio de una señal aplicada (potencial),controla el flujo del agua (carga) hacia el "drenaje". Las terminales del drenaje y la

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fuente están en los extremos opuestos del canal-n, como se ilustra en la figura 1,debido a que la terminología se define para el flujo de electrones.

Figura #2: Analogía hidráulica para el mecanismo de control del JFET.(VGS = 0 V, Vds cualquier valor positivo)

En la figura 3 se ha aplicado un voltaje positivo VDS y a través del canal y lacompuerta se ha conectado en forma directa a la fuente para establecer lacondición VGS = 0 V. El resultado es que las terminales de compuerta y fuente sehallan al mismo potencial y hay una región de agotamiento en el extremo inferiorde cada material p, semejante a la distribución de las condiciones sin polarizaciónde la figura 1. En el instante que el voltaje VDD ( = VDS) se aplica, los electronesserán atraídos hacia la terminal de drenaje, estableciendo la corrienteconvencional ID con la dirección definida de la figura 3. La trayectoria del flujo decarga revela con claridad que las corrientes de fuente y drenaje son equivalentes(ID = IS). Bajo las condiciones que aparecen en la figura 3, el flujo de carga esrelativamente permitido y limitado únicamente por la resistencia del canal-n entreel drenaje y la fuente.

Figura #3: JFET en la región VGS = 0 V y VDS > 0 V.

Es importante observar que la región de agotamiento es más ancha cerca delextremo superior de ambos materiales tipo p. La razón para el cambio en laanchura de la región se puede describir mejor considerando que entre Drain yGate, se tiene un diodo polarizado inverso, por tal razón, se tendrá una zonadesierta en la juntura. Esta situación es distinta con respecto al Source pues en el

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no se tiene un diodo inverso. El hecho de que la unión p-n esté inversamentepolarizada en la longitud del canal da por resultado una corriente de compuerta(Gate) de cero amperes, como se ilustra en la misma figura. El hecho que iG = OA es una importante característica del JFET.

En cuanto el voltaje VDS se incrementa de O a unos cuantos voltios, la corrienteaumentará según se determina por la ley de Ohm, pues el canal N representa auna resistencia de bajo valor. La gráfica de ID versus VD S aparecerá como seilustra en la figura 4. La relativa linealidad de la gráfica revela que para la regiónde valores inferiores de VD S, la resistencia es esencialmente una constante. Amedida que VD S se incrementa y se aproxima a un nivel denominado como Vpen la figura 4, las regiones de agotamiento de la figura 3 se ampliarán,ocasionando una notable reducción en la anchura del canal. La reducidatrayectoria de conducción causa que la resistencia se incremente, y provoca lacurva en la gráfica de la figura 4. Cuanto más horizontal sea la curva, másgrande será la resistencia, lo que sugiere que la resistencia se aproxima a"infinitos" ohmios en la región horizontal. Si VD S se incrementa hasta un niveldonde parezca que las dos regiones de agotamiento se "tocarían", como se ilustraen la figura 5, se tendría una condición denominada como estrechamiento (pinch-off). El nivel de VD S que establece esta condición se conoce como el voltaje déestrechamiento y se denota por Vp, como se muestra en la figura 4. En realidad, eltérmino "estrechamiento" es un nombre inapropiado en cuanto a que sugiere quela corriente iD disminuye, al estrecharse el canal, a 0 A. Sin embargo, como semuestra en la figura 4, es poco probable que ocurra este caso, ya que iDmantiene un nivel de saturación definido como iDSS en la figura 4. En realidadexiste todavía un canal muy pequeño, con una corriente de muy alta densidad. Elhecho de que iD no caiga por el estrechamiento y mantenga el nivel de saturaciónindicado en la figura 4, se verifica por el siguiente hecho: La ausencia de unacorriente de drenaje eliminaría la posibilidad de diferentes niveles de potencial através del canal de material n, para establecer los niveles de variación depolarización inversa a lo largo de la unión p-n. El resultado sería una pérdida de ladistribución de la región de agotamiento, que ocasiona en primer lugar elestrechamiento.

Figura #4:ID contra VDS para VGS =0V. Figura #5: Estrechamiento (VGS =0V,VDS =Vp).

A medida que VD S incrementa su valor más allá de Vp, la región deestrechamiento cubre las dos regiones de agotamiento y aumentará en longitud alo largo del canal, pero el nivel de ID continúa siendo fundamentalmente el mismouna vez que VD S > V. Por o tanto, se puede decir que el JFET posee lascaracterísticas de una fuente de corriente. Como se muestra en la figura 6, la

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corriente está fija en ID = IDSS, pero el voltaje VD S (para niveles VD S > Vp )se determina por la carga aplicada.La elección de la notación para IDSS se deriva del hecho de que es la corrientede drenaje a fuente con una conexión en corto circuito de la compuerta a la fuente.

Relaciones de corrientes y voltajes:Si consideramos el BJT, podemos obtener que IC = ?*IB. Desgraciadamente,esta relación lineal no existe entre las cantidades de salida y entrada de un JFET.La relación entre ID y VGS se define por la ecuación de Shockley:

Ecc. (1)

El término cuadrado de la ecuación dará como resultado una relación no linealentre ID y VGS, produciendo una curva que crece exponencialmente con elincremento de los valores de VGS.Para el análisis de cd , será más fácil y directo en general aplicar un enfoque másgráfico que matemático. Sin embargo, el enfoque gráfico requerirá una gráfica dela ecuación anterior para representar el dispositivo y una gráfica de la ecuación dela red relacionando las mismas variables. La solución está definida por el punto deintersección de las dos curvas. Es importante tener en cuenta cuando se aplique elenfoque gráfico, que las características del dispositivo no se afectarán por la reden la que se emplea el dispositivo. La ecuación de la red puede cambiar junto conla intersección entre las dos curvas, pero la curva de transferencia definida por laecuación de Shockley (1 ) no se afecta. Por lo tanto, podemos decir que “lascaracterísticas de transferencia definidas por la ecuación de Shockley semantienen sin afectarse por la red en la que se emplea el dispositivo”.

La curva de transferencia puede obtenerse utilizando la ecuación de Shockley.En la figura 6 se suministran dos gráficas con la escala vertical en miliamperes.Para cada gráfica. Una es la gráfica de ID contra VDS, mientras que la otra es deID contra VGS. Si observamos las curvas, se puede trazar una línea horizontaldesde la región de saturación denotada por VGS = 0 V hasta el eje de ID . El nivelde corriente resultante para ambas gráficas es IDSS. El punto de intersecciónsobre la curva de ID contra VGS se encontrará como se ilustra, ya que el ejevertical se define como VGS = O V. En resumen: Cuando VGS = 0 V, ID = IDSS.

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Figura #6: Obtención de la curva de transferencia a partir de lascaracterísticas de drenaje.

Cuando VGS = Vp = -4 V, la corriente de drenaje es de 0 miliamperes, y defineotro punto sobre la curva de transferencia. Es decir: Cuando VGS = Vp, ID = 0 mA.

Es importante indicar que las características de drenaje relacionan la corriente desalida (o drenaje) con el voltaje de entrada (o compuerta). Ambos ejes sedefinen por variables en la misma región de las características del dispositivo.Las características de transferencia son la gráfica de una corriente de salida (odrenaje) contra una cantidad controlada de entrada. Existe, por lo tanto, una"transferencia" directa de variables de entrada a variables de salida cuando seemplea la curva a la izquierda de la figura 6. Si la relación fuera lineal, la gráficade ID contra VGS resultaría en una línea recta entre VDSS y Vp. Sin embargo, seobtendrá una curva parabólica debido a que el espaciado vertical entre los pasosde VGS sobre las características de drenaje de la figura 6 decrece notablemente amedida que VGS se hace cada vez más negativo. Compárese el espaciado entreVGS = O V y VGS = -1 V con el que se da entre VGS = -3 V y el estrechamiento.El cambio en VGS es el mismo, pero el cambio resultante en ID es muy diferente.Si se dibuja una línea horizontal desde la curva para VGS = -1 V hasta el eje de IDy luego se extiende hasta el otro eje, puede localizarse otro punto sobre la curvade transferencia. Nótese que VGS = -1 V sobre el eje inferior de la curva detransferencia con ID = 4.5 mA.

Aplicación de la ecuación de Shockley (1)La curva de transferencia de la figura 6, puede obtenerse en forma directamediante la ecuación de Shockley (1), dando simplemente los valores de IDSS yVp. Los niveles de Idss y Vp definen los límites de la curva sobre ambos ejes ydejan solamente la necesidad de encontrar unos cuantos puntos intermedios degraficación. La validez de la ecuación (1) como una fuente para la curva detransferencia de la figura 6 se demuestra mejor al examinar unos cuantos nivelesespecíficos de una variable y hallando el nivel resultante de la otra, en la formasiguiente: Sustituyendo VGS = 0 V se obtiene

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Al sustituir VGS = Vp resulta que

o bien

Como se muestra en la figura 6. Se debe advertir la precaución con la que semanejan los signos negativos para VGS y Vp en los cálculos anteriores, pues, lapérdida de un signo daría un resultado totalmente erróneo.

Dado IDSS y Vp (Valor que proporcionan las hojas de especificaciones), el nivelde ID puede hallarse para cualquier nivel de VGS. A la inversa, por medio del usode álgebra básica podemos obtener [de la ecuación (1)] una ecuación para el nivelresultante de VGS para un nivel dado de ID dando como resultado:

Ejemplo. Calcule el nivel de VGS que resultará en una corriente de drenaje de4.5 m A, para el dispositivo con las características de la figura 6

El JFET V/S EL TRANSISTOR (BJT):La siguiente tabla, nos muestra las relaciones más importantes entre el transistorbipolar de juntura (BJT) y el transistor de efecto de campo (FET). Lo cual muestraque ambos elementos pueden ser utilizados en forma similar, sin embargo elJFET tiene una impedancia más alta a la impedancia de entrada del transistor, sinembargo, los JFET tienen la problemática de trabajar con potencias no muy altas.

Polarización del JFET

Al igual que el transistor BJT, existen diferentes métodos de polarización, entre loscuales se encuentran:

a) Polarización de graduador o compuerta como se muestra en la figura #7:

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Figura #7: Polarización por Gate

Como Ig = 0, entonces Vgs = - Vgg; Luego ? ?21

P

GSVV

DSSDds III ???? o bién

? ?21

PVVgg

DSSDds III ???? Con Vgg < = a Vp.

b) Auto polarización como se muestra en al figura #8:

Figura #8: Auto polarización

En este caso, Vgs = - Ids x Rs, luego, ? ?21

P

GSVV

DSSDds III ???? o bien

? ?21PVRsIds

DSSds II ????En la cual se puede despejar Ids o realizar el trabajo mediante el métodográfico, esto es Rs = - (Vgs/Ids), el cual se puede graficar en la curva detransferencia o lado izquierdo de la figura #6 como se muestra en la figura#9.

#9: Método gráfico en cálculo del punto Q para autopolarización

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b) Polarización por división de voltaje: La figura #10 muestra el circuito depolarización por divisor de voltaje

Figura #10: Polarización por divisor de voltaje

En este caso 212

RRRVddVth ?

?? además, Vth = Vgs + Id x Rs.

Modelo simple del JFET en señal pequeñaA diferencia del transistor BJT. En el JFET se tiene su corriente de salida Id enfunción del voltaje de entrada Vgs y su impedancia de entrada Rgs que es muyalta como se muestra en al figura #11.

Figura #11: Circuito equivalente para el FET.

Como se puede apreciar en la figura #11, se debe conocer el valor de gm. Sinembargo, podemos decir que gm es la variación de la corriente de salida ?Id conrespecto a la variación del voltaje de entrada ?Vgs . en términos diferenciales,

podemos decir que GS

DVIgm ?

?? Si derivamos la ecuación 1 con respecto al voltaje

Vgs se tiene:? ?21

P

GSVV

DSSD II ??? Ecuación 1, luego:

Si consideramos como gmo = –2·IDSS / Vp entonces, se puede decir que

Ecc2.

? ? VpVV

DSSVI

P

GS

GS

D Igm 112 ??????? ??

? ?P

GSVVgmogm ??? 1

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Es necesario indicar, que debido a la alta impedancia de entrada, no es necesariorealizar amplificadores con Drain común. La figura #12 muestra un amplificadorcon FET en modo Surtidor común.

Figura #12: Amplificador Source común con JFET

MOSFET

En general hay dos tipos de FET: JFET y MOSFET. Los MOSFET además sedividen en tipo decremental o empobrecimiento y tipo incremental oenrriquecimiento. Los términos decremental e incremental definen sus modosbásicos de operación, mientras que la palabra MOSFET significa transistor deefecto de campo de metal óxido semiconductor (metal-oxide-semiconductor-field-effect transistor). Puesto que existen diferencias en las características yoperación de cada tipo de MOSFET.El MOSFET tipo decremental, que parece tener características similares a las deun JFET entre el corte y la saturación para IDSS, pero luego tiene el rasgoadicional de las características que se extienden dentro de la región de polaridadopuesta para VGS.

Construcción básica de un MOSFET de tipo decremental o deempobrecimiento.La construcción básica de un MOSFET de tipo decremental de canal n seesquematiza en la figura 13. Una "plancha" de material tipo p se forma en unabase de silicio y se le denomina sustrato. Es el cimiento sobre el que seconstruirá el dispositivo. En algunos casos el sustrato se conecta internamentecon la terminal fuente, sin embargo, muchos dispositivos discretos suministran unaterminal adicional denominada SS, resultando un dispositivo de cuatro terminales,como el que aparece en la figura 13. Las terminales de fuente y drenaje seconectan a través de contactos metálicos a las regiones con dopado tipo n unidasmediante un canal n, como se muestra en la figura.

La compuerta también se conecta a una superficie de contacto metálico peropermanece aislada del canal n por una capa muy delgada aislante de dióxido desilicio (SiO2) conocido como un dieléctrico. El hecho de que la capa de SiO2 seauna capa aislante revela el hecho siguiente: No hay una conexión eléctrica directaentre la terminal de compuerta y el canal para un MOSFET. Además la capaaislante de SiO2 en la construcción del MOSFET es la que cuenta para la muyconveniente alta impedancia de entrada del dispositivo.

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a) Estructura b) Simbología

Figura #13: Mosfet de decrecimiento o empobrecimiento

De hecho, la resistencia de entrada de un MOSFET es con frecuencia mayor a ladel JFET típico, aun cuando la impedancia de entrada de la mayoría de los JFETsea suficientemente alta para la mayor parte de las aplicaciones. La muy altaimpedancia de entrada continúa para soportar el hecho de que la corriente decompuerta (IG) es esencialmente de cero amperes para las configuracionespolarizadas de cd.

La razón para el nombre FET metal-óxido-semiconductor es ahora bastante obvia.El metal por las condiciones de compuerta, fuente y drenaje a la superficie, elóxido por la capa aislante de dióxido de silicio, y el semiconductor por la estructurabásica sobre las que se difunden las regiones tipo n y p. La capa aislante entrela compuerta y el canal ha dado por resultado otro nombre para el dispositivo: FETde compuerta aislada (insulated-gate) o IGFET, aunque esta denominación seutiliza cada vez menos en la literatura actual.

Operación y características básicas del MOSFET de empobrecimiento.En la figura #14 el voltaje compuerta-fuente se fija a cero voltios por la conexióndirecta de una terminal a la otra, y se aplica un voltaje VDS a través de lasterminales drenaje-fuente. El resultado es una atracción de los electrones libresdel canal n por el potencial positivo del drenaje y una corriente similar a laestablecida a través del canal del JFET. De hecho, la corriente resultante con VGS= O V continúa denominándose IDSS.

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Figura #14: MOSFET de decremental de canal n con VGS = 0 V y unvoltaje aplicadoVDD.

Si observamos el voltaje entre gate y source, podemos decir que este voltajepuede ser tanto negativo (Empobrecimiento) o positivo (Enriquecimiento), pues elcanal se ensancharía mas y por tanto se tendrá una mayor corriente de drain. Lafigura #15 muestra la curva del MOSFET de enriquecimiento.

Figura #15: Curvas del MOSFET de enriquecimiento

La polarización y cálculo del punto Q son similares a los cálculos realizados parael JFET, al igual que el circuito equivalente para señal alterna y su mayor uso seda en la polarización del tipo empobrecimiento.

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Construcción básica de un MOSFET de tipo incremental o de enriquecimiento.Una variación de los MOSFET de tipo incremental o de enriquecimiento para quetrabaje en modo de enriquecimiento exclusivamente, corresponde a la estructuraque muestra la figura #16.

a) Estructura b) Simbología

Figura #16: Mosfet de enriquecimiento canal N

Como se observa en la figura #16, no existe canal entre Drain y Source, por tanto,la polarización del gate debe crearlo, para ello, se tiene que polarizar el Gatepositivo, de manera de atraer los electrones libres del sustrato P creando así uncanal N artificial. Para ello, los manuales entregan el voltaje mínimo requeridopara la construcción del canal N y se denomina Voltaje de umbral VGSth(Threshold Voltage).En este caso las curvas características del MOSFET de enriquecimiento canal N,solo contienen voltajes positivos entre Gate y Source, sin embrago se debe teneren cuenta que la curva de transconductancia es:

? ?2GSthGSD VVKI ??? Ecc. 3

Donde K es una constante que depende de cada MOSFET. El circuito depolarización más característico para un MOSFET de enriquecimiento canal N semuestra en la siguiente figura#17.

Figura #17: Polarización de un MOSFET de enriquecimiento

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MANEJO DE LOS MOSFETLa delgada capa de SiO2 entre la compuerta y el canal de los MOSFET tiene elefecto positivo de proporcionar una característica de alta impedancia de entradapara el dispositivo, pero debido a que es extremadamente delgada introduce unainquietud acerca de su manejo, la cual no se hizo presente para los transistoresBJT o JFET. Con frecuencia hay suficiente acumulación de electricidad estática (lacual recogemos de nuestro entorno) para establecer una diferencia de potencial através de la delgada capa que puede acabar con ella y establecer la conducción através de la misma. Es imperativo, por tanto, que dejemos la laminilla (o anillo) decortocircuitado (o conducción) conectando las terminales del dispositivo juntashasta que éste se inserte en el sistema. El anillo o segmento de corto circuitopreviene la posibilidad de que se aplique un potencial a través de cualquiera de lasdos terminales del dispositivo. Con el anillo la diferencia de potencial entrecualquiera de ellas se mantiene a O V. Como mínima precaución, tóquese siempreun conducto a tierra para permitir la descarga de la electricidad estáticaacumulada antes de manejar el dispositivo, y siempre tome el transistor por suencapsulado.A menudo existen transitorios (cambios bruscos en voltaje o corriente) en uncircuito cuando son removidos o insertados elementos y la fuente de energía estáencendida, los niveles transientes pueden ser con frecuencia más de lo que eldispositivo puede soportar y, por lo tanto, la fuente de energía siempre deberáapagarse cuando se efectúen cambios en el circuito.El máximo voltaje de compuerta-fuente por lo general es proporcionado por elfabricante del dispositivo. Un método para asegurarse de que no se excedaeste voltaje (quizás a causa de efectos transitorios) para cualquier polaridad esintroducir dos diodos Zener. Una desventaja introducida por la protección Zeneres la resistencia de entrada, puesto que la resistencia del diodo zener en estadode bloqueo es menor a la establecida por la capa de SiO2 que tiene el MOSFET.El resultado es una reducción en la resistencia de entrada, pero aun así es losuficientemente alta para la mayoría de las aplicaciones.

CMOSUn circuito lógico muy efectivo se puede establecer al construir un MOSFET decanal p y un MOSFET de canal n sobre la misma compuerta o Gate, como semuestra en la figura 18. La configuración denominada arreglo MOSFETcomplementario, abreviada CMOS, tiene una extensa aplicación en el diseño decomputadoras. La impedancia relativamente alta, rápidas velocidades deconmutación y bajos niveles operativos de energía de la configuración CMOS hanocasionado el surgimiento de una disciplina completamente nueva conocida comodiseño lógico de CMOS.

Figura 18: Inversor CMOS.