5.1: Introducción a los transistores de efecto de campo de unión (JFET)

Un transistor es un dispositivo semiconductor lineal que controla la corriente con la aplicación de una señal eléctrica de menor potencia. Los transistores pueden agruparse aproximadamente en dos divisiones principales: bipolar y efecto de campo. En el último capítulo, estudiamos los transistores bipolares, que utilizan una pequeña corriente para controlar una corriente grande. En este capítulo, presentaremos el concepto general del transistor de efecto de campo, un dispositivo que utiliza una pequeña tensión para controlar la corriente, y luego nos centraremos en un tipo en particular: el transistor de efecto de campo de unión. En el siguiente capítulo, exploraremos otro tipo de transistor de efecto de campo, la variedad de puertas aisladas.

Todos los transistores de efecto de campo son unipolares en lugar de dispositivos bipolares. Es decir, la corriente principal a través de ellos está compuesta por electrones a través de un semiconductor de tipo N o agujeros a través de un semiconductor de tipo P. Esto se hace más evidente cuando se ve un diagrama físico del dispositivo:

En un transistor de efecto de campo de unión o JFET, la corriente controlada pasa de fuente a drenaje, o de drenaje a fuente, según sea el caso. El voltaje de control se aplica entre la puerta y la fuente. Observe cómo la corriente no tiene que cruzar a través de una unión PN en su camino entre la fuente y el drenaje: la ruta (llamada canal) es un bloque ininterrumpido de material semiconductor. En la imagen que se acaba de mostrar, este canal es un semiconductor tipo N. Los JFET de canal tipo P también se fabrican:

Generalmente, los JFET de canal N se usan más comúnmente que el canal P. Las razones de esto tienen que ver con detalles oscuros de la teoría de semiconductores, que prefiero no discutir en este capítulo. Al igual que con los transistores bipolares, creo que la mejor manera de introducir el uso de transistores de efecto de campo es evitar la teoría siempre que sea posible y concentrarse en cambio en las características operativas. La única diferencia práctica entre los JFET de canal N y P con los que debe preocuparse ahora es el sesgo de la unión PN formada entre el material de la puerta y el canal.

Sin voltaje aplicado entre la puerta y la fuente, el canal es un camino abierto para que los electrones fluyan. Sin embargo, si se aplica un voltaje entre la puerta y la fuente de tal polaridad que polariza hacia atrás la unión PN, el flujo entre las conexiones de fuente y drenaje se vuelve limitado o regulado, tal como lo fue para los transistores bipolares con una cantidad establecida de corriente base. El voltaje máximo de la puerta-fuente “bloquea” toda la corriente a través de la fuente y el drenaje, forzando así el JFET al modo de corte. Este comportamiento se debe a que la región de agotamiento de la unión PN se expande bajo la influencia de una tensión de polarización inversa, ocupando eventualmente todo el ancho del canal si el voltaje es lo suficientemente grande. Esta acción puede compararse con reducir el flujo de un líquido a través de una manguera flexible apretándola: con suficiente fuerza, la manguera se constriñirá lo suficiente como para bloquear completamente el flujo.

Observe cómo este comportamiento operativo es exactamente opuesto al transistor de unión bipolar. Los transistores bipolares son dispositivos normalmente apagados: no hay corriente a través de la base, ninguna corriente a través del colector o del emisor. Los JFET, por otro lado, son dispositivos normalmente encendidos: ningún voltaje aplicado a la puerta permite la máxima corriente a través de la fuente y el drenaje. Además, tome nota que la cantidad de corriente permitida a través de un JFET está determinada por una señal de voltaje en lugar de una señal de corriente como ocurre con los transistores bipolares. De hecho, con la unión PN puerta-fuente polarizada en sentido inverso, debería haber casi cero corriente a través de la conexión de puerta. Por esta razón, clasificamos el JFET como un dispositivo controlado por voltaje y el transistor bipolar como un dispositivo controlado por corriente.

Si la unión PN puerta-fuente está polarizada hacia adelante con un voltaje pequeño, el canal JFET se “abrirá” un poco más para permitir mayores corrientes a través. Sin embargo, la unión PN de un JFET no está construida para manejar ninguna corriente sustancial por sí misma, y por lo tanto no se recomienda polarizar hacia adelante la unión bajo ninguna circunstancia.

Esta es una visión general muy condensada de la operación de JFET. En la siguiente sección, exploraremos el uso del JFET como dispositivo de conmutación.