JFET

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JFET
Jfet.png
La corriente eléctrica de la fuente al drenaje en un JFET de canal p se restringe cuando se aplica un voltaje a la compuerta .
EscribeActivo
Configuración de pinesdesagüe, puerta, fuente
símbolo electrónico
IEEE 315-1975 (1993) 8.6.10.1.b.svg IEEE 315-1975 (1993) 8.6.11.1.b.svg

El transistor de efecto de campo de puerta 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 usar 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 la fuente y los terminales de drenaje . Al aplicar un voltaje de polarización inversa a un terminal de puerta , el canal se pellizca , de modo que la corriente eléctrica se impide o se apaga por completo. Un JFET generalmente conduce cuando no hay voltaje entre sus terminales de puerta y fuente. Si una diferencia de potencial de la polaridad adecuada se aplica entre sus terminales de puerta y fuente, el JFET será más resistente al flujo de corriente, lo que significa que fluiría menos corriente en el canal entre la fuente y los terminales de drenaje.

Los JFET a veces se denominan dispositivos de 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 cerrarse para permitir que fluya la corriente.

Los JFET pueden tener un canal tipo n o tipo p . En el tipo n, si el voltaje aplicado a la puerta es negativo con respecto a la fuente, la corriente se reducirá (de manera similar en el tipo p, si el voltaje aplicado a la puerta es positivo con respecto a la fuente). Debido a que un JFET en una configuración de fuente común o 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 puerta.

Historia

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

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 FET, pero fracasaron en sus repetidos intentos. Descubrieron el transistor de contacto puntual mientras intentaban diagnosticar las razones de sus fallas. Siguiendo el tratamiento teórico de Shockley sobre JFET en 1952, George C. Dacey e Ian M. Ross crearon un JFET práctico y funcional en 1953 . [4] Los ingenieros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe solicitaron una patente para un dispositivo similar en 1950 denominadotransistor de inducción estática (SIT). El SIT es un tipo de JFET con un canal corto. [4]

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

estructura

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

Funciones

Características I-V y gráfico de salida de un JFET de canal n

El funcionamiento de JFET se puede comparar con el de una manguera de jardín . El flujo de agua a través de una manguera se puede controlar apretándolo para reducir la sección transversal y el flujo de carga eléctrica a través de un JFET se controla restringiendo el canal de transporte de 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 actual no está respaldada por las características que se muestran en el diagrama por encima de un cierto voltaje aplicado. Esta es la región de saturación., y el JFET normalmente funciona en esta región de corriente constante donde la corriente del dispositivo prácticamente no se ve afectada por el voltaje de la fuente de drenaje. 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 puerta y la fuente para polarizar inversamente la unión pn de la puerta-fuente, ampliando así la capa de agotamiento de esta unión (ver figura superior), invadiendo la canal conductor y restringiendo su área de sección transversal. La capa de agotamiento se denomina así porque está desprovista de portadores móviles y, por lo tanto, es eléctricamente no conductora para fines prácticos. [6]

Cuando la capa de agotamiento abarca el ancho del canal de conducción, se logra el pinzamiento y se detiene la conducción de drenaje a fuente. El pinch-off ocurre en una polarización inversa particular ( VGS ) de la unión puerta-fuente. La tensión de pinch-off (V p ) (también conocida como tensión de umbral [7] [8] o tensión de corte [9] [10] [11] ) varía considerablemente, incluso entre dispositivos del mismo tipo. Por ejemplo, V GS (apagado) para el dispositivo Temic J202 varía de −0,8 V a −4 V. [12] Los valores típicos varían de −0,3 Va −10 V . (De manera confusa, el término voltaje de pellizco también se usa para referirse al valor de V DS que separa las regiones lineales y de saturación. [10] [11] )

Para apagar un dispositivo de n canales se requiere un voltaje de fuente de puerta negativo ( VGS ) . Por el contrario, para apagar un dispositivo de canal p se requiere una VGS positiva .

En operación 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 el drenaje.

Símbolos esquemáticos

Símbolo de circuito para un JFET de canal n
Símbolo de circuito para un JFET de canal p

La compuerta JFET a veces se dibuja en el medio del canal (en lugar de en el electrodo de drenaje o 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 realmente son intercambiables.

El símbolo se puede dibujar dentro de un círculo (que representa la envoltura de un dispositivo discreto) si el gabinete es importante para la función del circuito, como componentes dobles 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 puerta. Al igual que con un diodo ordinario , la flecha apunta de P a N, la dirección de la corriente convencional cuando está polarizada en directa. Un mnemotécnico inglés es que la flecha de un dispositivo de canal N "apunta i n ".

Comparación con otros transistores

A temperatura ambiente, la corriente de compuerta JFET (la fuga inversa de la unión de compuerta a 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 una mayor ganancia ( transconductancia ) que el MOSFET, así como un ruido de parpadeo más bajo y, por lo tanto, se utiliza en algunos amplificadores operacionales de alta impedancia de entrada y bajo ruido . Además, el JFET es menos susceptible al daño por la acumulación de carga estática. [14]

Modelo matemático

Región óhmica lineal

La corriente en N-JFET debida a un pequeño voltaje VDS ( es decir, en la región lineal u óhmica [15] o triodo [7] ) se obtiene tratando el canal como una barra rectangular de material de conductividad eléctrica : [16]

dónde

I D = corriente drenaje-fuente,
b = grosor del canal para un voltaje de puerta dado,
W = ancho del canal,
L = longitud del canal,
q = carga del electrón = 1,6 × 10 −19  C,
μ n = movilidad de electrones ,
N d = concentración de dopaje de tipo n (donante),
VP = tensión de estrangulamiento .

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

En términos de, la corriente de drenaje se puede expresar como [ cita requerida ]

Región de corriente constante

La corriente de drenaje en la región de saturación o activa [17] [7] o pinch-off [18] a menudo se aproxima en términos de polarización de puerta como [16]

donde I DSS es la corriente de saturación a cero voltaje puerta-fuente, es decir, la corriente máxima que puede fluir a través del FET desde el drenaje a la fuente en cualquier voltaje drenaje-fuente (permisible) (consulte, por ejemplo, el diagrama de características I - V arriba).

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

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 puerta-fuente, entonces el espesor del canal b puede expresarse en términos del espesor del canal de polarización cero a como [ cita requerida ]

dónde

VP es el voltaje de estrangulamiento: el voltaje de la fuente de puerta en el que el espesor del canal llega a cero,
a es el espesor del canal a voltaje cero entre la puerta y la fuente.

Transconductancia

La transconductancia para la unión FET está dada por

dóndees el voltaje pinchoff e I DSS es la corriente de drenaje máxima. Esto también se llamao(para transadmisión ). [19]

Véase también

Referencias

  1. ^ Salón, Juan. "JFET discreto" (PDF) . sistemaslineales.com .
  2. ^ "Transistor de efecto de campo de unión" . Tutoriales de electrónica . Archivado desde el original el 31 de enero de 2022 . Consultado el 19 de junio de 2022 .
  3. ^ Grundmann, Mario (2010). La física de los semiconductores . Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-13884-3.
  4. ^ a b Dispositivos de efecto de campo de unión , Dispositivos semiconductores para acondicionamiento de energía , 1982.
  5. ^ a b Flaherty, Nick (18 de octubre de 2018), "SiC JFET de tercera generación agrega opciones de 1200 V y 650 V" , EeNews Power Management.
  6. ^ Para una discusión sobre la estructura y el funcionamiento de JFET, consulte, por ejemplo, D. Chattopadhyay (2006). "§13.2 Transistor de efecto de campo de unión (JFET)" . Electrónica (fundamentos y aplicaciones) . Nueva Era Internacional. págs. 269 y sigs . ISBN 978-8122417807.
  7. ^ a b c "Transistor de efecto de campo de unión (JFET)" (PDF) . ETEE3212 Apuntes de clase . El valor de v GS ... para el cual el canal se agota por completo ... se denomina voltaje de umbral o pinzamiento y ocurre en v GS = V GS (APAGADO) . ... Esta región lineal de operación se llama óhmica (o, a veces, triodo) ... Más allá de la rodilla de la región óhmica, las curvas se vuelven esencialmente planas en la región de operación activa (o de saturación ) .
  8. ^ Sedra, Adel S.; Smith, Kenneth C. "5.11 EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO DE UNIÓN (JFET)" (PDF) . Circuitos Microelectrónicos . A este valor de vGS , el canal se agota por completo... Para los JFET, el voltaje de umbral se denomina voltaje de estrangulamiento y se denota como VP .
  9. ^ Horowitz, Pablo; Colina, Winfield (1989). El arte de la electrónica (2ª ed.). Cambridge [Inglaterra]: Cambridge University Press. pags. 120. ISBN 0-521-37095-7. OCLC  19125711 . Para los JFET, el voltaje de la fuente de compuerta en el que la corriente de drenaje se acerca a cero se denomina "voltaje de corte de la fuente de compuerta", V GS (APAGADO) , o el "voltaje de pellizco", VP ... Para los MOSFET en modo mejorado, el cantidad análoga es el "voltaje de umbral"
  10. ^ a b Mehta, VK; Mehta, Rohit (2008). "19 transistores de efecto de campo" (PDF) . Principios de electrónica (11ª ed.). S. Chand. págs. 513–514. ISBN  978-8121924504. OCLC  741256429 . Voltaje de pellizco ( V P ). Es el voltaje mínimo entre drenaje y fuente en el que la corriente de drenaje se vuelve esencialmente constante. ... Voltaje de corte de puerta-fuente V GS (apagado) . Es el voltaje de la fuente de la puerta donde el canal se corta por completo y la corriente de drenaje se vuelve cero.
  11. ^ a b UA Bakshi; AP Godse (2008). Ingeniería Electrónica . Publicaciones Técnicas. pags. 10. ISBN 978-81-8431-503-5. No confundas corte con pellizco. El voltaje de pinch-off VP es el valor de VDS en el que la corriente de drenaje alcanza un valor constante para un valor dado de VGS . ... El voltaje de corte V GS (apagado) es el valor de V GS en el que la corriente de drenaje es 0.
  12. ^ "Hoja de datos J201" (PDF) . Consultado el 22-01-2021 .
  13. ^ "Sobre o recinto A4.11" . ANSI Y32.2-1975 (PDF) . El símbolo del sobre o recinto puede omitirse de un símbolo que haga referencia a este párrafo, donde no se produzca confusión.
  14. ^ Kopp, Emilie (2019-01-16). "¿Cuál es la diferencia entre un MOSFET y un JFET?" . Puntas electrónicas 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. ^ a b Balbir Kumar y Shail B. Jain (2013). Dispositivos y Circuitos Electrónicos . PHI Aprendizaje Pvt. Ltd., págs. 342–345. ISBN 9788120348448.
  17. ^ "Transistor de efecto de campo de unión" . Tutoriales de electrónica . Saturación o Región Activa
  18. ^ Scholberg, Kate (2017-03-23). "¿Cuál es el significado de 'región de pellizco'?" . La "región de estrangulamiento" (o "región de saturación") se refiere al funcionamiento de un FET conmás de unos pocos voltios.
  19. ^ Café Kirt Blattenberger RF. "JFETS: cómo funcionan, cómo usarlos, radioelectrónica de mayo de 1969" . Consultado el 04-01-2021 . y fs : transadmitancia directa de fuente común y pequeña señal (a veces denominada g fs -transconductancia)

Enlaces externos