Operación del JFET
Unidad 6: Transistor de efecto de campo
Operación del JFET
Conoce el contenido de esta presentación interactiva:
Construcción y características de los JFET
Configuración de polarización fija y autopolarización
Configuraciones JFET
Configuraciones JFET
(Field-effect transistor de unión)
Operación del JFET
comunes: análisis en CD
(Field-effect transistor de unión)
(corriente directa)
(Field-effect transistor de unión)
Objetivo
Plantear la estructura y funcionalidad del transistor de efecto de campo para estimar los estados de operación en distintas aplicaciones eléctricas.
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más sobre el transistor de efecto de campo.
Desarrollaremos estos temas basados el libro Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos de Boylestad y Nashelsky (2009).
El transistor de efecto de campo (FET) también es un dispositivo de tres terminales utilizado en aplicaciones que coinciden, en buena medida, con las del transistor BJT.
Aunque existen diferencias importantes entre ambos tipos de dispositivos, también encontramos varias semejanzas.
¡Conoce las diferencias y semejanzas!
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más sobre el significado de efecto de campo.
Así como hay transistores BJT NPN y PNP, también existen transistores de efecto de campo de canal n y de canal p.
Debemos tener en cuenta un detalle importante y es que el transistor BJT es un dispositivo bipolar; el prefijo “bi” indica que el nivel de conducción es una función de dos portadores de carga, electrones y huecos.
El FET (field-effect transistor) es un dispositivo unipolar que depende tanto de la conducción de electrones (canal n) como de la condición de huecos (canal p).
¿Qué significa efecto de campo?
Operación del JFET
Para el FET las cargas presentes establecen un campo eléctrico, el cual controla la ruta de conducción del circuito de salida sin requerirse un contacto directo entre las cantidades de control y las controladas.
Cuando irrumpe al mercado un dispositivo que posee muchas aplicaciones semejantes al que ya existía, como el BJT, se tiende a comparar algunas de las características generales de uno con las del otro.
Una de las características más importantes del transistor FET es su alta impedancia de entrada. Con niveles desde 1 MΩ a varios cientos de mega-ohms, excede por mucho los niveles de resistencia de entrada típicos de cualquiera de las configuraciones del transistor BJT, lo que es una característica muy importante en el diseño de amplificadores de CA lineales.
Operación del JFET
Haz clic en cada botón interactivo y conocerás más sobre el transistor BJT y la categoría Mosfet.
Por otra parte, el transistor BJT es mucho más sensible a los cambios de la señal aplicada. En otras palabras, la variación de la corriente de entrada es mucho mayor para los BJT que para los FET con el mismo cambio del voltaje aplicado.
“Los FET son más estables a la temperatura que los BJT y, en general, son más pequeños, lo que los hace particularmente útiles en chips de circuitos integrados (CI)”.
Las características de construcción
“Las ganancias de voltaje de CA típicas para amplificadores BJT son mucho mayores que para los FET”.
La categoría Mosfet
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más sobre la construcción de los JFET.
Ahora, conozcamos sobre la construcción y características de los JFET.
Como ya vimos, un JFET es un dispositivo que posee tres terminales, con una de ellas capaz de controlar la corriente que circula entre los otros dos.
En el análisis de los BJT se usó el tipo NPN en la mayor parte del análisis y diseño.
Para el caso del transistor JFET, utilizaremos el modelo de dispositivo de canal n, con observaciones sobre cómo utilizar un JFET de canal p.
La construcción esencial de un JFET de canal n.
¡Practica lo aprendido!
Selecciona una de las tres opciones de respuesta que se consideran en el planteamiento.
Actividad formativa
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más sobre el resultante en una unión del JFET.
Estos dos materiales tipo p se encuentran conectados entre sí y a un terminal denominado compuerta (G gate).
Sintetizando, el drenaje y la fuente están conectados a los extremos del canal tipo n y la compuerta a las dos capas de material tipo p.
Si ahora analizamos qué sucede sin aplicar potenciales, el JFET tiene dos uniones p-n en condiciones sin polarización.
Figura 2. Transistor de efecto de campo de unión (JFET).
Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 370).
¿Cuál es el resultante?
Operación del JFET
Aunque las analogías a veces pueden ser engañosas, la del agua en este caso nos da una idea del control de JFET en la compuerta y de lo similar a la terminología aplicada en las terminales del dispositivo.
Las terminales del drenaje y la fuente se encuentran en los extremos opuestos del canal, similarmente a lo indicado figura 3, ya que dicha terminología corresponde al flujo de electrones.
La fuente que nos genera la presión de agua se puede vincular al voltaje aplicado del drenaje a la fuente, el cual establecerá un flujo de agua (electrones) desde el grifo (fuente).
La compuerta o gate, controla gracias a una señal aplicada (potencial), el flujo del agua (carga) dirigido hacia el drenaje.
Operación del JFET
Haz clic en cada botón interactivo y conocerás más sobre las configuraciones JFET más comunes.
Ahora, conozcamos sobre las configuraciones JFET comunes: análisis en CD.
En el estudio de los BJT se estableció que la relación entre la IB de base y la IC de colector estaba representada en forma lineal por un factor constante denominado ϐ. La duplicación del valor de IB duplicará el valor de IC, etc.
Para el transistor de efecto de campo, esta relación entre los parámetros de entrada y salida ya no es lineal, sino que, es no lineal debido al término al cuadrado incorporado en la ecuación de ID según Shockley.
¿Qué implica la relación no lineal?
Diferencias entre relación lineal y no lineal
Operación del JFET
Haz clic en cada botón interactivo para conocer más sobre BJT y FET.
Una gran diferencia en el análisis de BJT y FET es que la variable de control de entrada para un BJT es un nivel de corriente, en tanto que para el FET la variable de control es un voltaje.
De todas maneras, en ambos casos, la variable controlada a la salida es un nivel de corriente, mismo que define los niveles de voltaje más importantes del circuito de salida.
¿Cómo se calculan las relaciones?
¿Qué define el circuito?
Operación del JFET
Ahora, aprenderás sobre la configuración de polarización fija.
La configuración de polarización más simple para el JFET de canal n aparece en la figura 3. Conocida como configuración de polarización fija, es una de las pocas configuraciones de FET que se pueden resolver de un modo directo tanto con un método matemático como con un gráfico.
La configuración que vemos en la figura 3 incluye los niveles de Vi y Vo y los correspondientes capacitores de acoplamiento (C1 y C2). Recuerda que dichos capacitores de acoplamiento son considerados “circuitos abiertos” para el análisis de CD y bajas impedancias (o cortocircuito) para el análisis de CA.
Figura 3. Configuración de polarización fija.
Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 413).
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más sobre el terminal negativo de la batería.
La presencia del resistor RG garantiza que Vi aparecerá a la entrada del amplificador de FET para el análisis de CA que veremos un poco más adelante.
Para el análisis de CD asumimos IG ≅ 0 A y por lo tanto VRG = IG RG = (0 A) RG = 0 V. Esta caída de voltaje de cero volts a través de RG permite reemplazar RC con un equivalente de cortocircuito, como aparece en la red de la figura 4, específicamente dibujada de nuevo para el análisis de cd.
Figura 4. Red para el análisis de CD.
Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 414).
El terminal negativo de la batería
Operación del JFET
Como VGG es una fuente de cd fija, el valor del voltaje VGS es fijo, de ahí la designación de “configuración de polarización fija”.
Mediante la ecuación de Shockley se controla ahora el valor resultante de la corriente de drenaje ID.
Como VGS es solo un valor fijo en esta configuración, su magnitud y signo simplemente esta se sustituye en la ecuación de Shockley para calcular el nivel de ID. Esta es una de las pocas instancias en que la solución matemática de una configuración de FET es bastante directa.
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más la configuración de polarización fija.
Un análisis gráfico requeriría una gráfica de la ecuación de Shockley como se muestra en la figura 5.
Recuerda que al seleccionar VGS = Vp/2 obtendrá una corriente de drenaje de IDSS/4 cuando grafique la ecuación.
Para nuestro análisis, los tres puntos definidos por IDSS, Vp y la intersección que acabamos de describir bastarán para trazar la curva.
Figura 5. Representación gráfica de la ecuación de Shockley.
Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 414).
¡Observa cómo determinar la solución para la configuración de polarización fija!
Operación del JFET
¡Ahora, conozcamos la configuración del tipo autopolarización! Esta nos permite eliminar la necesidad de fuente partida o dos fuentes de continua.
Para el análisis de CD, procedemos nuevamente como con los BJT, los capacitores pueden ser reemplazados por circuitos abiertos y el resistor RG por un equivalente de cortocircuito, puesto que IG = 0.
El voltaje de control de compuerta-fuente ahora estará determinado por el voltaje a través de un resistor RS introducido en la rama de la fuente como se muestra en la figura 7
Figura 7. Configuración de autopolarización de JFET.
Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 417).
Operación del JFET
La resultante es la red de la figura 8 con la que haremos el análisis de CD.
La corriente IS que atraviesa RS, es la corriente que fluye a través de la fuente, pero IS=ID y para la malla de la figura 8, podemos plantear que VGS = -ID RS.
Observa en este caso que ahora la VGS es función de la corriente de salida ID y no de una magnitud fija como ocurría en el caso de la configuración de polarización fija.
Figura 8. Análisis de CD de la configuración de autopolarización.
Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 417).
Operación del JFET
¿Cómo se define la configuración del circuito?
Como la ecuación define una línea recta, identifica dos puntos sobre la línea y simplemente traza una línea recta entre los dos puntos. La condición más obvia que se debe aplicar es ID = 0 A ya que esta condición nos da
VGS = -ID RS= (0 A) RS = 0 V.
La configuración del circuito se define mediante la ecuación
Ambas ecuaciones relacionan las mismas dos variables, lo que permite una solución matemática o una solución gráfica.
y la ecuación de Shockley relaciona las variables de entrada y salida del dispositivo.
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más sobre los pasos a seguir y cómo obtener el resultado.
Por lo que se refiere a la ecuación, ID = 0 A y VGS = 0 A definen un punto sobre la línea recta, como se ilustra en la figura 9.
El segundo punto en la ecuación requiere que se seleccione un nivel de VGS o ID y el nivel de la otra cantidad se determine con la ecuación.
Los niveles resultantes de ID e VGS definirán entonces otro punto sobre la línea recta y permitirán trazarla. Supongamos que seleccionamos un nivel de ID igual a la mitad del nivel de saturación.
Figura 9. Representación gráfica de la línea de autopolarización.
Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 419).
¿Cuál es el paso a seguir y el resultado?
¡Practica lo aprendido!
Selecciona una de las dos opciones de respuesta que se consideran en el planteamiento.
Actividad formativa
Conclusiones
Durante este recorrido de aprendizaje, comprendiste el funcionamiento del transistor JFET (por sus siglas en inglés, junction field-effect transistor), que te ayudará a controlar el flujo de corriente a través de un canal semiconductor. De esta forma, pudiste reconocer sus principales características y su funcionamiento para aplicarlos en los circuitos electrónicos que desarrolles.
Referencias bibliográficas
Boylestad, R. y Nashelsky, L. (10.a ed.). (2009). Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Pearson. Deyán, M. F. (2022). Electrónica: Teoría y aplicaciones prácticas de los dispositivos más comunes. Independently Published. Floyd, T. L. (10.a ed.). (2018). Electronic devices, global edition. Pearson.
Savant, C. (1992). Diseño electrónico. Addison-Wesley Iberoamericana.
U6R1: Presentacion interactiva: Operación del JFET
UAG
Created on June 26, 2023
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Operación del JFET
Unidad 6: Transistor de efecto de campo
Operación del JFET
Conoce el contenido de esta presentación interactiva:
Construcción y características de los JFET
Configuración de polarización fija y autopolarización
Configuraciones JFET
Configuraciones JFET
(Field-effect transistor de unión)
Operación del JFET
comunes: análisis en CD
(Field-effect transistor de unión)
(corriente directa)
(Field-effect transistor de unión)
Objetivo
Plantear la estructura y funcionalidad del transistor de efecto de campo para estimar los estados de operación en distintas aplicaciones eléctricas.
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más sobre el transistor de efecto de campo.
Desarrollaremos estos temas basados el libro Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos de Boylestad y Nashelsky (2009).
El transistor de efecto de campo (FET) también es un dispositivo de tres terminales utilizado en aplicaciones que coinciden, en buena medida, con las del transistor BJT.
Aunque existen diferencias importantes entre ambos tipos de dispositivos, también encontramos varias semejanzas.
¡Conoce las diferencias y semejanzas!
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más sobre el significado de efecto de campo.
Así como hay transistores BJT NPN y PNP, también existen transistores de efecto de campo de canal n y de canal p.
Debemos tener en cuenta un detalle importante y es que el transistor BJT es un dispositivo bipolar; el prefijo “bi” indica que el nivel de conducción es una función de dos portadores de carga, electrones y huecos.
El FET (field-effect transistor) es un dispositivo unipolar que depende tanto de la conducción de electrones (canal n) como de la condición de huecos (canal p).
¿Qué significa efecto de campo?
Operación del JFET
Para el FET las cargas presentes establecen un campo eléctrico, el cual controla la ruta de conducción del circuito de salida sin requerirse un contacto directo entre las cantidades de control y las controladas.
Cuando irrumpe al mercado un dispositivo que posee muchas aplicaciones semejantes al que ya existía, como el BJT, se tiende a comparar algunas de las características generales de uno con las del otro.
Una de las características más importantes del transistor FET es su alta impedancia de entrada. Con niveles desde 1 MΩ a varios cientos de mega-ohms, excede por mucho los niveles de resistencia de entrada típicos de cualquiera de las configuraciones del transistor BJT, lo que es una característica muy importante en el diseño de amplificadores de CA lineales.
Operación del JFET
Haz clic en cada botón interactivo y conocerás más sobre el transistor BJT y la categoría Mosfet.
Por otra parte, el transistor BJT es mucho más sensible a los cambios de la señal aplicada. En otras palabras, la variación de la corriente de entrada es mucho mayor para los BJT que para los FET con el mismo cambio del voltaje aplicado.
“Los FET son más estables a la temperatura que los BJT y, en general, son más pequeños, lo que los hace particularmente útiles en chips de circuitos integrados (CI)”.
Las características de construcción
“Las ganancias de voltaje de CA típicas para amplificadores BJT son mucho mayores que para los FET”.
La categoría Mosfet
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más sobre la construcción de los JFET.
Ahora, conozcamos sobre la construcción y características de los JFET.
Como ya vimos, un JFET es un dispositivo que posee tres terminales, con una de ellas capaz de controlar la corriente que circula entre los otros dos.
En el análisis de los BJT se usó el tipo NPN en la mayor parte del análisis y diseño.
Para el caso del transistor JFET, utilizaremos el modelo de dispositivo de canal n, con observaciones sobre cómo utilizar un JFET de canal p.
La construcción esencial de un JFET de canal n.
¡Practica lo aprendido!
Selecciona una de las tres opciones de respuesta que se consideran en el planteamiento.
Actividad formativa
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más sobre el resultante en una unión del JFET.
Estos dos materiales tipo p se encuentran conectados entre sí y a un terminal denominado compuerta (G gate).
Sintetizando, el drenaje y la fuente están conectados a los extremos del canal tipo n y la compuerta a las dos capas de material tipo p.
Si ahora analizamos qué sucede sin aplicar potenciales, el JFET tiene dos uniones p-n en condiciones sin polarización.
Figura 2. Transistor de efecto de campo de unión (JFET). Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 370).
¿Cuál es el resultante?
Operación del JFET
Aunque las analogías a veces pueden ser engañosas, la del agua en este caso nos da una idea del control de JFET en la compuerta y de lo similar a la terminología aplicada en las terminales del dispositivo.
Las terminales del drenaje y la fuente se encuentran en los extremos opuestos del canal, similarmente a lo indicado figura 3, ya que dicha terminología corresponde al flujo de electrones.
La fuente que nos genera la presión de agua se puede vincular al voltaje aplicado del drenaje a la fuente, el cual establecerá un flujo de agua (electrones) desde el grifo (fuente).
La compuerta o gate, controla gracias a una señal aplicada (potencial), el flujo del agua (carga) dirigido hacia el drenaje.
Operación del JFET
Haz clic en cada botón interactivo y conocerás más sobre las configuraciones JFET más comunes.
Ahora, conozcamos sobre las configuraciones JFET comunes: análisis en CD.
En el estudio de los BJT se estableció que la relación entre la IB de base y la IC de colector estaba representada en forma lineal por un factor constante denominado ϐ. La duplicación del valor de IB duplicará el valor de IC, etc.
Para el transistor de efecto de campo, esta relación entre los parámetros de entrada y salida ya no es lineal, sino que, es no lineal debido al término al cuadrado incorporado en la ecuación de ID según Shockley.
¿Qué implica la relación no lineal?
Diferencias entre relación lineal y no lineal
Operación del JFET
Haz clic en cada botón interactivo para conocer más sobre BJT y FET.
Una gran diferencia en el análisis de BJT y FET es que la variable de control de entrada para un BJT es un nivel de corriente, en tanto que para el FET la variable de control es un voltaje.
De todas maneras, en ambos casos, la variable controlada a la salida es un nivel de corriente, mismo que define los niveles de voltaje más importantes del circuito de salida.
¿Cómo se calculan las relaciones?
¿Qué define el circuito?
Operación del JFET
Ahora, aprenderás sobre la configuración de polarización fija.
La configuración de polarización más simple para el JFET de canal n aparece en la figura 3. Conocida como configuración de polarización fija, es una de las pocas configuraciones de FET que se pueden resolver de un modo directo tanto con un método matemático como con un gráfico.
La configuración que vemos en la figura 3 incluye los niveles de Vi y Vo y los correspondientes capacitores de acoplamiento (C1 y C2). Recuerda que dichos capacitores de acoplamiento son considerados “circuitos abiertos” para el análisis de CD y bajas impedancias (o cortocircuito) para el análisis de CA.
Figura 3. Configuración de polarización fija. Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 413).
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más sobre el terminal negativo de la batería.
La presencia del resistor RG garantiza que Vi aparecerá a la entrada del amplificador de FET para el análisis de CA que veremos un poco más adelante.
Para el análisis de CD asumimos IG ≅ 0 A y por lo tanto VRG = IG RG = (0 A) RG = 0 V. Esta caída de voltaje de cero volts a través de RG permite reemplazar RC con un equivalente de cortocircuito, como aparece en la red de la figura 4, específicamente dibujada de nuevo para el análisis de cd.
Figura 4. Red para el análisis de CD. Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 414).
El terminal negativo de la batería
Operación del JFET
Como VGG es una fuente de cd fija, el valor del voltaje VGS es fijo, de ahí la designación de “configuración de polarización fija”.
Mediante la ecuación de Shockley se controla ahora el valor resultante de la corriente de drenaje ID.
Como VGS es solo un valor fijo en esta configuración, su magnitud y signo simplemente esta se sustituye en la ecuación de Shockley para calcular el nivel de ID. Esta es una de las pocas instancias en que la solución matemática de una configuración de FET es bastante directa.
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más la configuración de polarización fija.
Un análisis gráfico requeriría una gráfica de la ecuación de Shockley como se muestra en la figura 5.
Recuerda que al seleccionar VGS = Vp/2 obtendrá una corriente de drenaje de IDSS/4 cuando grafique la ecuación.
Para nuestro análisis, los tres puntos definidos por IDSS, Vp y la intersección que acabamos de describir bastarán para trazar la curva.
Figura 5. Representación gráfica de la ecuación de Shockley. Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 414).
¡Observa cómo determinar la solución para la configuración de polarización fija!
Operación del JFET
¡Ahora, conozcamos la configuración del tipo autopolarización! Esta nos permite eliminar la necesidad de fuente partida o dos fuentes de continua.
Para el análisis de CD, procedemos nuevamente como con los BJT, los capacitores pueden ser reemplazados por circuitos abiertos y el resistor RG por un equivalente de cortocircuito, puesto que IG = 0.
El voltaje de control de compuerta-fuente ahora estará determinado por el voltaje a través de un resistor RS introducido en la rama de la fuente como se muestra en la figura 7
Figura 7. Configuración de autopolarización de JFET. Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 417).
Operación del JFET
La resultante es la red de la figura 8 con la que haremos el análisis de CD.
La corriente IS que atraviesa RS, es la corriente que fluye a través de la fuente, pero IS=ID y para la malla de la figura 8, podemos plantear que VGS = -ID RS.
Observa en este caso que ahora la VGS es función de la corriente de salida ID y no de una magnitud fija como ocurría en el caso de la configuración de polarización fija.
Figura 8. Análisis de CD de la configuración de autopolarización. Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 417).
Operación del JFET
¿Cómo se define la configuración del circuito?
Como la ecuación define una línea recta, identifica dos puntos sobre la línea y simplemente traza una línea recta entre los dos puntos. La condición más obvia que se debe aplicar es ID = 0 A ya que esta condición nos da VGS = -ID RS= (0 A) RS = 0 V.
La configuración del circuito se define mediante la ecuación
Ambas ecuaciones relacionan las mismas dos variables, lo que permite una solución matemática o una solución gráfica.
y la ecuación de Shockley relaciona las variables de entrada y salida del dispositivo.
Operación del JFET
Haz clic en el botón interactivo y conocerás más sobre los pasos a seguir y cómo obtener el resultado.
Por lo que se refiere a la ecuación, ID = 0 A y VGS = 0 A definen un punto sobre la línea recta, como se ilustra en la figura 9.
El segundo punto en la ecuación requiere que se seleccione un nivel de VGS o ID y el nivel de la otra cantidad se determine con la ecuación.
Los niveles resultantes de ID e VGS definirán entonces otro punto sobre la línea recta y permitirán trazarla. Supongamos que seleccionamos un nivel de ID igual a la mitad del nivel de saturación.
Figura 9. Representación gráfica de la línea de autopolarización. Fuente: Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009, p. 419).
¿Cuál es el paso a seguir y el resultado?
¡Practica lo aprendido!
Selecciona una de las dos opciones de respuesta que se consideran en el planteamiento.
Actividad formativa
Conclusiones
Durante este recorrido de aprendizaje, comprendiste el funcionamiento del transistor JFET (por sus siglas en inglés, junction field-effect transistor), que te ayudará a controlar el flujo de corriente a través de un canal semiconductor. De esta forma, pudiste reconocer sus principales características y su funcionamiento para aplicarlos en los circuitos electrónicos que desarrolles.
Referencias bibliográficas
Boylestad, R. y Nashelsky, L. (10.a ed.). (2009). Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Pearson. Deyán, M. F. (2022). Electrónica: Teoría y aplicaciones prácticas de los dispositivos más comunes. Independently Published. Floyd, T. L. (10.a ed.). (2018). Electronic devices, global edition. Pearson. Savant, C. (1992). Diseño electrónico. Addison-Wesley Iberoamericana.