CONSTRUCCIÓN Y CARACTERÍSTICAS  DEL JFET

La construcción básica del JFET de canal-n se muestra en la figura 1. Observe que la mayor parte de la estructura es el material tipo n que forma el canal entre las capas difundidas en material tipo p. El extremo superior del canal tipo n se conecta mediante contacto óhmico a la terminal denominada como drenaje (drain) (D), mientras que el extremo inferior del mismo material se conecta por medio de contacto óhmico a la terminal llamada la fuente (source) (S). Los dos materiales tipo p se encuentran conectados juntos y al mismo tiempo hacia la terminal de compuerta (gate) (Q). Por tanto, esencialmente el drenaje y la fuente se conectan en esencia a los 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 uniones p-n bajo condiciones sin polarización. El resultado es una región de agotamiento en cada unión, como se ilustra en la figura 1, que se parece a la misma región de un diodo bajo condiciones sin polarización. Recuérdese también que una región de agotamiento es aquella región carente de portadores libres y por lo tanto incapaz de permitir la conducción a través de la región.

Figura 1. Estructura física de un JFET canal n.

En la figura 2 se ha aplicado un voltaje positivo VDS y a través del canal y la compuerta se ha conectado en forma directa a la fuente para establecer la condición VGS = 0 V. El resultado es que las terminales de compuerta y fuente se hallan al mismo potencial y hay una región de agotamiento en el extremo inferior de cada material p, semejante a la distribución de las condiciones sin polarización de la figura 1. En el instante que el voltaje VDD ( = VDS) se aplica, los electrones serán atraídos hacia la terminal de drenaje, estableciendo la corriente convencional iD con la dirección definida de la figura 2. La trayectoria del flujo de carga revela con claridad que las corrientes de fuente y drenaje son equivalentes (iD = Is). Bajo las condiciones que aparecen en la figura 2, el flujo de carga es relativamente permitido y limitado únicamente por la resistencia del canal n entre el drenaje y la fuente.

Figura 2.Operación del JFET en un circuito externo.

En cuanto el voltaje VDS se incrementa de 0v a unos cuantos voltios, la corriente aumentará según se determina por la ley de Ohm, y la gráfica de iD contra VDS aparecerá como se ilustra en la figura 3. La relativa linealidad de la gráfica revela que para la región de valores inferiores de VDS la resistencia es esencialmente una constante. A medida que VDS se incrementa y se aproxima a un nivel denominado como Vp en la figura 3, las regiones de agotamiento de la figura 2 se ampliarán, ocasionando una notable reducción en la anchura del canal. La reducida trayectoria de conducción causa que la resistencia se incremente, y provoca la curva en la gráfica de la figura 3. Cuanto más horizontal sea la curva, más grande será la resistencia, lo que sugiere que la resistencia se aproxima a "infinito" ohmiaje en la región horizontal. Si VDS se incrementa hasta un nivel donde parezca que las dos regiones de agotamiento se "tocarían", como se ilustra en la figura 4, se tendría una condición denominada como estrechamiento (pinch-off). El nivel de VDS que establece esta condición se conoce como el voltaje de estrechamiento ó pellizco y se denota por Vp, como se muestra en la figura 3. En realidad, el término "estrechamiento" es un nombre inapropiado en cuanto a que sugiere que la corriente iD disminuye, al estrecharse el canal, a 0 A. Sin embargo, como se muestra en la figura 4, es poco probable que ocurra este caso, ya que iD mantiene un nivel de saturación definido como IDSS en la figura 3. En realidad existe todavía un canal muy pequeño, con una corriente de muy alta densidad. El hecho de que iD no caiga por el estrechamiento y mantenga el nivel de saturación indicado en la figura 3 se verifica por el siguiente hecho: la ausencia de una corriente de drenaje eliminaría la posibilidad de diferentes niveles de potencial a través del canal de material n, para establecer los niveles de variación de polarización inversa a lo largo de la unión p-n. El resultado sería una pérdida de la distribución de la región de agotamiento, que ocasiona en primer lugar el estrechamiento.

Figura 3. Característica iD-VDS para un JFET de canal n.

Figura 4. JFET en condición de estrechamiento.

En la figura 5, se muestran las características de transferencia y las características iD-VGS para un JFET de canal n. Se grafican con el eje iD común. Las características de transferencia se pueden obtener de una extensión de las curvas iD-VDS. Un método útil de determinar la característica de transferencia es con ayuda de la siguiente relación (ecuación de Shockley):

                                                                 (1)

 

Por tanto, sólo se necesita conocer IDSS y Vp, y toda la característica queda determinada. Las hojas de datos de los fabricantes a menudo dan estos dos parámetros, por lo que se puede construir la característica de transferencia o utilizar la ecuación (1) directamente. Nótese que iD se satura (es decir, se vuelve constante) conforme VDS excede la tensión necesaria para que el canal se estreche. Esto se puede expresar como una ecuación para VDS(sat) para cada curva, como sigue:

                                                                 (2)

Conforme VGS se vuelve mas negativo, el estrechamiento se produce a menores valores de VDS y la corriente de saturación se vuelve mas pequeña. La región útil para operación lineal es por arriba del estrechamiento y por debajo de la tensión de ruptura. En esta región, iD está saturada y su valor depende de VGS, de acuerdo con la ecuación (1) o con la característica de transferencia.

          (a)Características de transferencia         (b)Características iD-VGS                                            

Figura 5. Características del JFET.

Nótese, de la figura 5, que conforme VDS aumenta desde cero, se alcanza un punto de ruptura en cada curva, más allá del cual la corriente de drenaje se incrementa muy poco a medida que VDS continua aumentando. El estrechamiento se produce en este valor de la tensión drenaje a fuente. Los valores de estrechamiento de la figura 5 están conectados con una curva roja que separa la región ohmica de la región activa. Conforme VDS continua aumentando más allá del punto de estrechamiento, se alcanza un punto donde la tensión entre drenaje y fuente se vuelve tan grande que se produce ruptura por avalancha. En el punto de

 

 

 

ruptura, iD aumenta lo suficiente, con incrementos insignificantes en VDS. Esta ruptura se produce en la terminal de drenaje de la unión compuerta-canal. Por tanto, se produce avalancha cuando la tensión drenaje-compuerta, VDG, excede la tensión de ruptura (para VGS=0v), para la unión pn. En este punto, la característica iD-VDS exhibe la peculiar forma mostrada a la derecha de la figura 5.