FET: Transistor de Efecto de campo, curva característica, resistencia del canal
El FET es un dispositivo semiconductor que controla un flujo de corriente por un canal semiconductor, aplicando un campo eléctrico perpendicular a la trayectoria de la corriente.
El FET está compuesto de una parte de silicio tipo N, a la cual se le adicionan dos regiones con impurezas tipo P llamadas compuerta (gate) y que están unidas entre si. Ver la figura
Los terminales de este tipo de transistor se llaman Drenador (drain), Fuente (source) y el tercer terminal es la compuerta (gate) que ya se conoce. La región que existe entre el drenador y la fuente y que es el camino obligado de los electrones se llama "canal". La corriente circula de Drenaje (D) Fuente (S). Ver el gráfico.
Este tipo de transistor se polariza de manera diferente al transistor bipolar. El terminal de drenaje se polariza positivamente con respecto al terminal de fuente (Vdd) y la compuerta o gate se polariza negativamente con respecto a la fuente (-Vgg).
A mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal y más difícil para la corriente pasar del terminal drenador (drain) al terminal fuente o source. La tensión -Vgg para la que el canal queda cerrado se llama "punch-off" y es diferente para cada FET
El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y requieren que halla cambios en la corriente de base para producir cambios en la corriente de colector. El FET es controlado por tensión y los cambios en tensión de la compuerta (gate) a fuente (Vgs) modifican la región de rarefacción y causan que varíe el ancho del canal
La curva característica del FET
Este gráfico muestra que al aumentar el voltaje Vds (voltaje drenador - fuente), para un Vgs (voltaje de compuerta) fijo, la corriente aumenta rápidamente (se comporta como una resistencia) hasta llegar a un punto A (voltaje de estricción), desde donde la corriente se mantiene casi constante hasta llegar a un punto B (entra en la región de disrupción o ruptura), desde donde la corriente aumenta rápidamente hasta que el transistor se destruye.
Si ahora se repite este gráfico para más de un voltaje de compuerta a surtidor (Vgs), se obtiene un conjunto de gráficos. Ver que Vgs es "0" voltios o es una tensión de valor negativo.
Si Vds se hace cero por el transistor no circulará ninguna corriente. (ver gráficos a la derecha)
Para saber cual es el valor de la corriente se utiliza la fórmula de la curva característica de transferencia del FET.
Ver gráfico de la curva característica de transferencia de un transistor FET de canal tipo P en el gráfico inferior. La fórmula es: ID = IDSS (1 - [Vgs / Vgs (off)] )
EL AMPLIFICADOR A JFET Y APLICACIONES DEL JFET
FUNDAMENTO TEORICO
En los transistores bipolares, una pequeña corriente de entrada (corriente de base) controla la corriente de salida (corriente de colector); en los casos de los FET, es un pequeño voltaje de entrada que controla la corriente de salida.
La corriente que circula en la entrada es generalmente despreciable (menos de un pico amperio). Esto es una gran ventaja, cuando la señal proviene de un dispositivo tal como un micrófono de condensador o un transductor piezo eléctrico, los cuales proporcionan corrientes insignificantes.
Los FET’s, básicamente son de dos tipos:
El transistor de efecto de campo de Juntura o JFET.
El transistor de efecto de campo con compuerta aislada o IGFET, también conocido como semiconductor de óxido de metal, MOS, o simplemente MOSFET.
CIRCUITO EQUIVALENTE FET DE AC
El circuito equivalente de ac para un FET se ilustra en la figura. Aquí se muestra solo el dispositivo FET con un voltaje de entrada de ac, Vgs.
El modelo de ac, o circuito equivalente de ac, únicamente para el dispositivo FET, consiste en una fuente de corriente controlada por voltaje entre los terminales de Drenaje y de Fuente, que depende del valor gm del dispositivo y del voltaje de ac de entrada Vgs, y una resistencia de ac del dispositivo entre los terminales de drenaje a fuente con valor de rd (resistencia de ac de salida).
El modelo de ac, o circuito equivalente de ac, únicamente para el dispositivo FET, consiste en una fuente de corriente controlada por voltaje entre los terminales de Drenaje y de Fuente, que depende del valor gm del dispositivo y del voltaje de ac de entrada Vgs, y una resistencia de ac del dispositivo entre los terminales de drenaje a fuente con valor de rd (resistencia de ac de salida).
Ganancia de Voltaje
La ganancia de voltaje de un amplificador FET puede obtenerse del circuito equivalente de ac. Del circuito equivalentes de ac se puede observar que:
VO = - (gm.Vgs)(RD||rd)
AV = VO/Vi = [- (gm.Vgs)(RD||rd)]/Vgs
AV = - gm.(RD||rd)
Si el valor de la resistencia del dispositivo, rd, es mucho mayor que la resistencia del circuito, RD, la ecuación para la ganancia de voltaje es casi igual a :
AV = - gm.RD
III.- EQUIPO Y MATERIALES
Dos fuentes de voltaje ajustables de 0 a 15 V.
Un multitester digital o analógico
Un JFET K373
Resistores ½ W: de 270Ω , 4.7KΩ, 100KΩ(2), 1.8KΩ, 10KΩ,1MΩ
Condensador Electrolítico de 4.7μF y 47μF.
Caja de Resistencias decádica
Interruptor
IV.- CIRCUITOS EXPERIMENTALES
V.- PROCEDIMIENTO
1.- AMPLIFICADOR CS FUENTE COMUN
Arme el circuito de la Fig. 1 sin RL y energice la fuente DC previamente calibrada a 10V y mida las tensiones VG, VS y VD. Mediante la ley de Ohm determine la corriente ID en el transistor.
Ajustar el generador de señales a una frecuencia de 1 KHz y coloque un nivel de señal de 0.1 VPP, conecte el generador de entrada del amplificador y observe la señal de salida la cual debe ser una onda senoidal amplificada. Mida y registre el voltaje de salida pico-pico con el osciloscopio y luego calcule la ganancia de voltaje e ingrese los datos en la Tabla I.
Conecte la caja de Resistencias decádica con un valor inicial de 5K, como una resistencia de carga variable, haga variar el valor de dicha resistencia de carga hasta ajustarla a que el voltaje de salida se reduzca a la mitad del voltaje de salida del paso anterior cuando el amplificador esta sin carga (RL= ∞ ), anotando el valor obtenido.
RL = 1791 Ω
2.- INTERRUPTOR ANALOGO
Arme el circuito de la Fig. 2 asegurándose previamente que el interruptor S1 se encuentre abierto y la fuente de corriente continua de 10 voltios tenga la polaridad indicada en la Figura. Coloque el generador de frecuencia a 1000 Hz y 0.1 VPP, luego previamente calibrado el osciloscopio (1 VPP 60 mm) conecte en el punto VO. Luego llene los datos obtenidos en la tabla II.
VI.- CUESTIONARIO
1.- Analizar teóricamente el circuito de la Fig. 1
De la práctica anterior para el JFET K373, se tiene los siguientes datos:
IDSS = 5 mA
Vp = -1.6 V
VGS = - ID . RS
Eligiendo ID = 4 mA
Tenemos : VGS = - (4 mA)(270)
VGS = - 1.1 V
Estos dos datos nos permiten graficar y mediante la superposición de gráficas se obtienen los siguientes datos:
IDQ = 2.15 mA
VGSQ = - 0.6 V
Tenemos además que ID = IS
VDS = 10V – (ID) (RD+ RS)
VDS = 10V – (2.15 mA) (1800+270)
VDS = 5.54 V
VD = 10V – (2.15 mA) (1800)
VD = 6.13 V
VG = 0V
VS = ID.RS = (2.15mA)(270)
VS = 0.58 V
Hallando la ganancia de voltaje:
AV = -gm. RD = -(3.9mS)(1800)
AV = 7
Luego si Vi = 0.1 VPP, entonces:
VO = AV.Vi = (7)(0.1 VPP)
VO = 0.7 VPP
2.- Los resultados obtenidos en el análisis teórico del circuito de la figura 1 compárelos con los datos experimentales y determine el porcentaje de error de cada magnitud medida.
3.- Analizar teóricamente el circuito de la Fig. 2
Un conmutador en derivación JFET como el de la Fig. 2 tiene:
RD = 10 KΩ
IDSS = 5 mA
VP = -1.6 V
Vi = 0.1 VPP
Encontramos el voltaje VO ;
Para esto se calcula el valor ideal de RDS como se sigue:
RDS = 1.6V/5mA = 320 Ω
Cuando VGS = 0, el circuito actúa como un circuito equivalente al:
Con la ley de Ohm,
Cuando VGS = - 10 V, el FET está como un circuito abierto, en la figura anterior es como si se reemplazara la resistencia de 320 Ohmios en infinito. Se puede ver que:
Vsal = Vent = 0.1 V
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