Transistor de efecto de campo bipolar

Tipo de transistor de efecto de campo

El transistor de efecto de campo de unión ( JFET ) es uno de los tipos más simples de transistor de efecto de campo . ^{[1] Los JFET son dispositivos} semiconductores de tres terminales que se pueden utilizar como interruptores o resistencias controlados electrónicamente , o para construir amplificadores .

A diferencia de los transistores de unión bipolar , los JFET están controlados exclusivamente por voltaje , ya que no necesitan una corriente de polarización . La carga eléctrica fluye a través de un canal semiconductor entre los terminales de fuente y drenaje . Al aplicar un voltaje de polarización inversa a un terminal de compuerta , el canal se estrecha , de modo que la corriente eléctrica se impide o se apaga por completo. Un JFET generalmente conduce cuando hay voltaje cero entre su compuerta y terminales de fuente. Si se aplica una diferencia de potencial de la polaridad adecuada entre su compuerta y terminales de fuente, el JFET será más resistente al flujo de corriente, lo que significa que fluiría menos corriente en el canal entre los terminales de fuente y drenaje.

A los JFET a veces se los denomina dispositivos en modo de agotamiento , ya que se basan en el principio de una región de agotamiento , que carece de portadores de carga mayoritarios . La región de agotamiento debe estar cerrada para permitir que fluya la corriente.

Los JFET pueden tener un canal de tipo n o de tipo p . En el tipo n, si el voltaje aplicado a la compuerta es negativo con respecto a la fuente, la corriente se reducirá (de manera similar en el tipo p, si el voltaje aplicado a la compuerta es positivo con respecto a la fuente). Debido a que un JFET en una configuración de fuente común o de drenaje común tiene una gran impedancia de entrada ^[2] (a veces del orden de 10 ¹⁰  ohmios ), se extrae poca corriente de los circuitos utilizados como entrada a la compuerta.

Historia

Julius Lilienfeld patentó una serie de dispositivos similares a los FET en las décadas de 1920 y 1930. Sin embargo, la ciencia de los materiales y la tecnología de fabricación necesitarían décadas de avances antes de que los FET pudieran fabricarse realmente.

El transistor de efecto de campo JFET fue patentado por primera vez por Heinrich Welker en 1945. ^[3] Durante la década de 1940, los investigadores John Bardeen , Walter Houser Brattain y William Shockley intentaron construir un transistor de efecto de campo, pero fracasaron en sus repetidos intentos. Descubrieron el transistor de contacto puntual mientras intentaban diagnosticar las razones de sus fallos. Tras el tratamiento teórico de Shockley sobre el transistor de efecto de campo en 1952, George C. Dacey e Ian M. Ross fabricaron un transistor de efecto de campo práctico en 1953. ^[4] Los ingenieros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe solicitaron una patente para un dispositivo similar en 1950 denominado transistor de inducción estática (SIT). El SIT es un tipo de JFET con un canal corto. ^[4]

La conmutación de alta velocidad y alto voltaje con JFET se volvió técnicamente factible luego de la introducción comercial de dispositivos de banda ancha de carburo de silicio (SiC) en 2008. Debido a las dificultades iniciales en la fabricación, en particular, las inconsistencias y el bajo rendimiento, los JFET de SiC siguieron siendo un producto de nicho al principio, con costos correspondientemente altos. Para 2018, estos problemas de fabricación se habían resuelto en su mayoría. Para entonces, los JFET de SiC también se usaban comúnmente junto con los MOSFET de silicio de bajo voltaje convencionales. ^[5] En esta combinación, los dispositivos JFET de SiC + MOSFET de Si tienen las ventajas de los dispositivos de banda ancha, así como el fácil control de compuerta de los MOSFET. ^[5]

Estructura

El JFET es un canal largo de material semiconductor , dopado para contener una gran cantidad de portadores de carga positivos o huecos ( tipo p ), o de portadores negativos o electrones ( tipo n ). Los contactos óhmicos en cada extremo forman la fuente (S) y el drenador (D). Se forma una unión pn en uno o ambos lados del canal, o rodeándolo utilizando una región con dopaje opuesto al del canal, y polarizada utilizando un contacto de compuerta óhmica (G).

Funciones

Características I–V y diagrama de salida de un JFET de canal n

El funcionamiento de un JFET se puede comparar con el de una manguera de jardín . El flujo de agua a través de una manguera se puede controlar apretándola para reducir la sección transversal y el flujo de carga eléctrica a través de un JFET se controla constriñendo el canal que transporta la corriente. La corriente también depende del campo eléctrico entre la fuente y el drenaje (análogo a la diferencia de presión en cada extremo de la manguera). Esta dependencia de la corriente no está respaldada por las características que se muestran en el diagrama anterior a un cierto voltaje aplicado. Esta es la región de saturación y el JFET normalmente se opera en esta región de corriente constante donde la corriente del dispositivo prácticamente no se ve afectada por el voltaje de drenaje-fuente. El JFET comparte esta característica de corriente constante con los transistores de unión y con los tetrodos y pentodos de tubo termoiónico (válvula).

La constricción del canal conductor se logra utilizando el efecto de campo : se aplica un voltaje entre la compuerta y la fuente para polarizar en sentido inverso la unión pn compuerta-fuente, ensanchando así la capa de agotamiento de esta unión (ver figura superior), invadiendo el canal conductor y restringiendo su área de sección transversal. La capa de agotamiento se llama así porque está desprovista de portadores móviles y, por lo tanto, no es eléctricamente conductora para fines prácticos. ^[6]

Cuando la capa de agotamiento abarca el ancho del canal de conducción, se logra el estrangulamiento y se detiene la conducción de drenaje a fuente. El estrangulamiento ocurre en una polarización inversa particular ( V _GS ) de la unión compuerta-fuente. El voltaje de estrangulamiento (V _p ) (también conocido como voltaje umbral ^{[7] [8]} o voltaje de corte ^{[9] [10] [11]} ) varía considerablemente, incluso entre dispositivos del mismo tipo. Por ejemplo, V _GS(off) para el dispositivo Temic J202 varía de −0,8 V a −4 V . ^[12] Los valores típicos varían de −0,3 V a −10 V . (Confusamente, el término voltaje de estrangulamiento también se usa para referirse al valor V _DS que separa las regiones lineal y de saturación. ^{[10] [11]} )

Para apagar un dispositivo de canal n se requiere un voltaje compuerta-fuente negativo ( V _GS ). Por el contrario, para apagar un dispositivo de canal p se requiere un V _GS positivo .

En funcionamiento normal, el campo eléctrico desarrollado por la compuerta bloquea la conducción fuente-drenaje hasta cierto punto.

Algunos dispositivos JFET son simétricos con respecto a la fuente y al drenaje.

Símbolos esquemáticos

Símbolo de circuito para un JFET de canal n

Símbolo de circuito para un JFET de canal p

La compuerta del JFET a veces se dibuja en el medio del canal (en lugar de en el electrodo de drenaje o de fuente como en estos ejemplos). Esta simetría sugiere que "drenaje" y "fuente" son intercambiables, por lo que el símbolo debe usarse solo para aquellos JFET en los que sí son intercambiables.

El símbolo se puede dibujar dentro de un círculo (que representa la envoltura de un dispositivo discreto) si el recinto es importante para el funcionamiento del circuito, como por ejemplo componentes duales combinados en el mismo paquete. ^[13]

En todos los casos, la punta de flecha muestra la polaridad de la unión P–N formada entre el canal y la compuerta. Al igual que con un diodo común , la flecha apunta de P a N, la dirección de la corriente convencional cuando está polarizada en directa. Una regla mnemotécnica en inglés es que la flecha de un dispositivo de canal N "apunta a i n ".

Comparación con otros transistores

A temperatura ambiente, la corriente de compuerta del JFET (la fuga inversa de la unión compuerta-canal ) es comparable a la de un MOSFET (que tiene óxido aislante entre la compuerta y el canal), pero mucho menor que la corriente de base de un transistor de unión bipolar . El JFET tiene mayor ganancia ( transconductancia ) que el MOSFET, así como menor ruido de parpadeo , y por lo tanto se utiliza en algunos amplificadores operacionales de bajo ruido y alta impedancia de entrada . Además, el JFET es menos susceptible a daños por acumulación de carga estática. ^[14]

Modelo matemático

Región óhmica lineal

La corriente en el N-JFET debido a un pequeño voltaje V _DS (es decir, en la región lineal u óhmica ^[15] o triodo ^[7] ) se da al tratar el canal como una barra rectangular de material de conductividad eléctrica : ^[16] ${\displaystyle qN_{d}\mu _{n}}$

${\displaystyle I_{\text{D}}={\frac {bW}{L}}qN_{d}\mu _{n}V_{\text{DS}},}$

dónde

I _D = corriente de drenaje-fuente,

b = espesor del canal para un voltaje de compuerta dado,

W = ancho del canal,

L = longitud del canal,

q = carga del electrón = 1,6 × 10 ⁻¹⁹  C,

μ _n = movilidad electrónica ,

N _d = concentración de dopaje de tipo n (donante),

VP = voltaje _de estrangulamiento.

Entonces la corriente de drenaje en la región lineal se puede aproximar como

${\displaystyle I_{\text{D}}={\frac {bW}{L}}qN_{d}\mu _{n}V_{\text{DS}}={\frac {aW}{L}}qN_{d}\mu _{n}\left(1-{\sqrt {\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}}\right)V_{\text{DS}}.}$

En términos de , la corriente de drenaje se puede expresar como ^{[ cita requerida ]} ${\displaystyle I_{\text{DSS}}}$

${\displaystyle I_{\text{D}}={\frac {2I_{\text{DSS}}}{V_{\text{P}}^{2}}}\left(V_{\text{GS}}-V_{\text{P}}-{\frac {V_{\text{DS}}}{2}}\right)V_{\text{DS}}.}$

Región de corriente constante

La corriente de drenaje en la región de saturación o activa ^{[17] [7]} o de estrangulamiento ^[18] a menudo se aproxima en términos de polarización de compuerta como ^[16]

${\displaystyle I_{\text{DS}}=I_{\text{DSS}}\left(1-{\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}\right)^{2},}$

donde I _DSS es la corriente de saturación en voltaje de compuerta-fuente cero, es decir, la corriente máxima que puede fluir a través del FET desde el drenaje a la fuente en cualquier voltaje de drenaje a fuente (permisible) (ver, por ejemplo, el diagrama de características I – V anterior).

En la región de saturación , la corriente de drenaje del JFET se ve afectada de manera más significativa por el voltaje de compuerta-fuente y apenas se ve afectada por el voltaje de drenaje-fuente.

Si el dopaje del canal es uniforme, de modo que el espesor de la región de agotamiento crecerá en proporción a la raíz cuadrada del valor absoluto del voltaje de compuerta-fuente, entonces el espesor del canal b se puede expresar en términos del espesor del canal de polarización cero a como ^{[19] [ verificación fallida ]}

${\displaystyle b=a\left(1-{\sqrt {\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}}\right),}$

dónde

VP es el voltaje de estrangulamiento: el voltaje de compuerta-fuente en el que el espesor del canal llega a cero _,

a es el espesor del canal con voltaje de compuerta-fuente cero.

Transconductancia

La transconductancia para el FET de unión está dada por

${\displaystyle g_{\text{m}}={\frac {2I_{\text{DSS}}}{|V_{\text{P}}|}}\left(1-{\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}\right),}$

donde es el voltaje de estrangulamiento e I _DSS es la corriente máxima de drenaje. Esto también se denomina o (para transadmitancia ). ^[20] ${\displaystyle V_{\text{P}}}$ ${\displaystyle g_{\text{fs}}}$ ${\displaystyle y_{\text{fs}}}$

Véase también

• Diodo de corriente constante
• Fetrón
• MOSFET
• MESFET

Referencias

1. Hall, John. "JFET discreto" (PDF) . linearsystems.com . Archivado (PDF) del original el 2022-10-09.
2. "Transistor de efecto de campo de unión". Tutoriales de electrónica . Archivado desde el original el 2022-01-31 . Consultado el 2022-06-19 .
3. Grundmann, Marius (2010). La Física de los Semiconductores . Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-13884-3.
4. , Dispositivos semiconductores para acondicionamiento de energía , 1982.
5. Flaherty, Nick (18 de octubre de 2018), "El JFET de SiC de tercera generación agrega opciones de 1200 V y 650 V", EeNews Power Management.
6. Para una discusión de la estructura y el funcionamiento de los JFET, véase, por ejemplo, D. Chattopadhyay (2006). "§13.2 Junction field-effect transistor (JFET)". Electronics (fundamentals and applications) . New Age International. pp. 269 y siguientes . ISBN 978-8122417807.
7. "Transistor de efecto de campo de unión (JFET)" (PDF) . Apuntes de la clase ETEE3212 . Archivado (PDF) del original el 2022-10-09. valor de v _GS ... para el cual el canal está completamente agotado ... se denomina voltaje umbral o de estrangulamiento y ocurre en v _GS = V _GS(OFF) . ... Esta región lineal de operación se denomina óhmica (o a veces triodo) ... Más allá del punto de inflexión de la región óhmica, las curvas se vuelven esencialmente planas en la región activa (o de saturación ) de operación.
8. Sedra, Adel S.; Smith, Kenneth C. "5.11 EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO DE UNIÓN (JFET)" (PDF) . Circuitos microelectrónicos . Archivado (PDF) desde el original el 2022-10-09. En este valor de v _GS el canal está completamente agotado ... Para los JFET, el voltaje umbral se denomina voltaje de estrangulamiento y se denota V _P .
9. Horowitz, Paul; Hill, Winfield (1989). El arte de la electrónica (2.ª ed.). Cambridge [Inglaterra]: Cambridge University Press. pág. 120. ISBN 0-521-37095-7. OCLC  19125711. Para los JFET, el voltaje de compuerta-fuente en el que la corriente de drenaje se acerca a cero se denomina "voltaje de corte de compuerta-fuente", V _GS(OFF) , o "voltaje de estrangulamiento", V _P ... Para los MOSFET de modo de mejora, la cantidad análoga es el "voltaje de umbral".
10. Mehta, VK; Mehta, Rohit (2008). "19 Transistores de efecto de campo" (PDF) . Principios de electrónica (11.ª ed.). S. Chand. págs. 513–514. ISBN 978-8121924504. OCLC  741256429. Archivado (PDF) del original el 9 de octubre de 2022. Voltaje de corte ( V _P ). Es el voltaje mínimo de drenaje-fuente en el que la corriente de drenaje se vuelve esencialmente constante. ... Voltaje de corte de compuerta-fuente V _{GS (apagado)} . Es el voltaje de compuerta-fuente en el que el canal se corta por completo y la corriente de drenaje se vuelve cero.
11. UA Bakshi; Atul P. Godse (2008). Ingeniería electrónica. Publicaciones técnicas. pág. 10. ISBN 978-81-8431-503-5. No confunda el corte con el pinch off. El voltaje de pinch off VP es el valor de V _DS en el cual la corriente de drenaje alcanza un valor constante para un valor dado de _V GS _. ... El voltaje de corte V _GS(off) es el valor de V _GS en el cual la corriente de drenaje es 0.
12. "Hoja de datos J201" (PDF) . Archivado (PDF) del original el 2022-10-09 . Consultado el 2021-01-22 .
13. "A4.11 Envolvente o recinto". ANSI Y32.2-1975 (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 2022-10-09. El símbolo de envolvente o recinto puede omitirse de un símbolo que haga referencia a este párrafo, siempre que no se produzca confusión.
14. Kopp, Emilie (16 de enero de 2019). "¿Cuál es la diferencia entre un MOSFET y un JFET?". Consejos de electrónica de potencia . Archivado desde el original el 17 de mayo de 2021. Consultado el 16 de junio de 2022 .
15. "¿Qué es la región óhmica de un transistor FET?". www.learningaboutelectronics.com . Consultado el 13 de diciembre de 2020 . región óhmica ... también llamada región lineal
16. Balbir Kumar y Shail B. Jain (2013). Dispositivos y circuitos electrónicos. PHI Learning Pvt. Ltd., págs. 342-345. ISBN 9788120348448.
17. "Transistor de efecto de campo de unión". Tutoriales de electrónica . Región activa o de saturación
18. Scholberg, Kate (23 de marzo de 2017). "¿Qué significa "región de saturación"?". La "región de saturación" (o "región de saturación") se refiere al funcionamiento de un FET con más de unos pocos voltios. ${\displaystyle V_{ds}}$
19. Storr, Wayne (3 de septiembre de 2013). "Tutorial de transistores de efecto de campo de unión o JFET". Tutoriales básicos de electrónica . Consultado el 7 de octubre de 2022 .
20. Kirt Blattenberger RF Cafe. "JFETS: cómo funcionan, cómo utilizarlos, mayo de 1969 Radio-Electronics" . Consultado el 4 de enero de 2021 . y _fs – Transadmitancia directa de fuente común y señal pequeña (a veces llamada g _fs -transconductancia)

Enlaces externos

• Medios relacionados con JFET en Wikimedia Commons
• Laboratorio de Física 111: Circuitos JFET I
• Explicación interactiva del transistor JFET de canal n