eLab, Laboratorio Remoto de Electrónica ITESM, Depto. de Ingeniería Eléctrica

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PRÁCTICA PF1

CARACTERÍSTICAS DE VOLTAJE CONTRA CORRIENTE DE

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO OBJETIVOS

Ø Conocer las curvas características de Voltaje contra Corriente de los Transistores de Efecto de Campo (FETs),

Ø Identificar las zonas de operación del Transistor de Efecto de Campo

Ø Medir los parámetros básicos de funcionamiento de los Transistores de Efecto de Campo, y

Ø Establecer la diferencia entre una FET de Canal N y otro de Canal P. INTRODUCCIÓN Las aplicaciones de los transistores de efecto de campo son muy similares a las de un transistor bipolar. Aunque el FET presenta ciertas ventajas sobre el BJT que lo hacen más viable para ciertas aplicaciones. Entre estas ventajas están las siguientes:

- El FET es un dispositivo sensible a voltaje con una alta impedancia de entrada, por lo que se utiliza en la etapa de entrada de un amplificador multietapas.

- Los FETs son más estables a cambios en la temperatura que los BJTs. - Los FETs tienen la capacidad de disipar mayores potencias. - Dada su alta impedancia de entrada, los FETs suelen utilizarse para almacenar carga.

Entre las desventajas que presentan los FETs están las siguientes:

- Presentan una pobre respuesta a la frecuencia. - Algunas clases de FETs presentan pobre linealidad. - Los FETs pueden dañarse cuando se manejan manualmente.

Principio de funcionamiento

El Transistor de Efecto de Campo (Field-Effect Transistor) es un dispositivo semiconductor que básicamente basa su funcionamiento en la estrangulación de un canal por la penetración de la zona de carga espacial de las junturas vecinas. Por este motivo, la polarización del mismo es necesariamente en inversa.

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El cuerpo de un transistor de efecto de campo de unión (JFET) típico está formado por un pedazo de material semiconductor tipo p ó n, llamado canal de conducción, rodeado en parte de su longitud por un collar del otro tipo de material semiconductor, formando entre este y el canal una unión P-N. En los extremos del canal se hacen sendas conexiones óhmicas llamadas respectivamente Drenador (D-Drain) y Fuente (S-Source), más una conexión en el collar llamada compuerta (G-Gate).

Modelo de transistor JFET canal N Modelo de transistor JFET canal P

Figura 1. a Figura 2. a

Figura 1. b Figura 2. b Las uniones Gate-Source y la Drain-Gate están polarizadas inversamente de tal forma que no existe otra corriente a traves de la unión PN que la de saturación inversa. La zona N (en el JFET canal n) es pequeña y la amplitud de la zona de deplexión afecta a la longitud efectiva del canal. La longitud de la zona de deplexión depende de la tensión inversa (VSG). Zonas de funcionamiento del transistor de efecto de campo (FET): El Transistor de Efecto de Campo puede operar en una de tres zonas de operación posibles; Región Ohmica, Región de Saturación y Región de Corte.

G

D

S

G

D

S

Canal N Canal P

D

G

S

P

N

P

D

G

S

P

N N

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1.- ZONA ÓHMICA o LINEAL: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de VGS 2.-ZONA DE SATURACIÓN: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por VGS

3.- ZONA DE CORTE: La intensidad de DRAIN es nula (ID=0).

A diferencia del transistor BJT, los terminales DRAIN y SOURCE del JFET pueden intercambiarse sin que se altere apreciablemente la característica V-I (se trata de un dispositivo simétrico). La operación de un JFET de CANAL P es complementaria a la de un JFET de CANAL N, lo que significa que todos los voltajes y corrientes son en sentido contrario. Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar: APLICACIÓN PRINCIPAL VENTAJA USOS Aislador o separador (buffer)

Impedancia de entrada alta y de salida baja

Uso general, equipo de medida, receptores

Amplificador con CAG Facilidad para controlar ganancia

Receptores, generadores de señales

Resistor variable por voltaje

Se controla por voltaje Amplificadores operacionales, órganos electrónicos, controlas de tono

Amplificador de baja frecuencia

Capacidad pequeña de acoplamiento

Audífonos para sordera, transductores inductivos

Interruptor de Estado Solidó

Muy alta velocidad de respuesta

Circuitos integrados digitales, Memorias, Microprocesadores

Para usar el FET como amplificador es necesario polarizarlo en la región de saturación, de esta manera la única variable que controla la corriente que pasa por el DRAIN es el voltaje de entrada VGS. En esta

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región, su característica de voltaje contra corriente puede ser representada por medio de la ecuación de Shockley. Ecuación de Shockley:

ID = IDSS (1 - VGS/VP)2

Donde: Vp (Voltaje de pinch-off o voltaje de estrangulamiento) es la tensión de compuerta que

produce el corte en el JFET. IDSS (corriente maxima de saturación) es la corriente máxima del DRAIN que circula por el

transistor al aumentar VDS (para un Vgs igual a cero). Bibliografía

Libro de Texto:

• Microelectronics; Circuit Analysis and Design (Chapter 5) Donal A. Neamen, McGraw Hill, 3rd Edition, 2007

Libros de Consulta:

• Electronic Devices (Chapter 3) Thomas L. Floyd, Prentice Hall, 6th Edition, 2002

• Electronic Devices and Circuits (Chapter 4) Robert T. Paynter, Prentice Hall, 7th Edition, 2006

• Electronic Circuits; Analysis, Simulation, and Design (Chapter 4) Norbert R. Malik, Prentice Hall, 1995

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ACTIVIDADES PREVIAS I. a) Explicar el funcionamiento de un JFET.

b) ¿Cuál es la diferencia entre un JFET de canal N y uno de canal P?

c) En el siguiente cuadro, colocar la ecuación correspondiente para obtener la corriente IDSS. d) Mencionar y explicar brevemente las tres regiones de operación de un JFET.

e) Mencionar las ventajas que tiene un FET sobre un BJT.

g) Mencionar las desventajas que tiene un FET sobre un BJT.

h) ¿Qué es el voltaje de pinchoff (Vpo)?

i) En el siguiente recuadro, ilustrar la curva característica para un JFET de canal N.

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j) En el siguiente recuadro, ilustrar la curva característica para un JFET de canal P. PROCEDIMIENTO II. Obtenga la Hoja de Datos del fabricante de los siguientes modelos de FETs; 2N4220, 2N5458 y 2N5460. a) ¿A qué tipo de Transistor de Efecto de Campo corresponde cada modelo?

Modelo Tipo de FET

2N4220 2N5458 2N5460

b) De la hoja de datos, obtener los siguientes parámetros. Considerar los parámetros a temperatura ambiente (25°C).

Parámetro 2N4220 2N5458 2N5460 Voltaje de Estrangulamiento (VTO), valor típico

Corriente máxima de Saturación del drenador

Disipación máxima de potencia a una temperatura ambiente de 25°C

Voltaje máximo de Drenador a Fuente a 25°C

Disipación máxima de potencia a una temperatura ambiente de 75°C

Voltaje máximo de Drenador a Fuente a 75°C

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III. Dispositivo 1. Empleando la interface gráfica del Laboratorio Remoto de Electrónica (eLab), construya las curvas características de voltaje contra corriente del dispositivo 1 para un Vgs = 0 y para un Vgs = 1/2 VTO.

**Sustituir este recuadro por la imagen correspondiente a las curvas características del FET**

Para construir la curva característica de voltaje contra corriente del FET, ajustar la batería a el valor de voltaje que se desea aplicar al dispositivo. Al presionar el botón de Execute el voltaje será aplicado físicamente al FET.

El sistema mide la corriente que se establece en el drenador y gráfica a la vez el punto de voltaje contra corriente. Se debe ir ajustando el valor de la fuente de manera que se vaya construyendo la curva característica.

Mientras que en la región de saturación del FET se recomienda realizar incrementos al voltaje entre drenador y fuente de 0.5 a 1 V, en la región ohmica se requieren incrementos de 0.05 a 0.1 volts.

a) De las curvas características del dispositivo 1, determinar la corriente máxima de saturación del drenador.

Corriente máxima de Saturación b) De las curvas características del dispositivo determinar el voltaje de estrangulamiento del FET.

Voltaje de Estrangulamiento VTO c) De acuerdo a la temperatura a la cual se encuentra operando el FET, determine cuál es la capacidad máxima de potencia del dispositivo.

Potencia máxima d) En base a las mediciones anteriores, ¿puede determinar de qué tipo de FET se trata?

Tipo de FET Modelo Dispositivo 1

IV. Dispositivo 2. Empleando la interface gráfica del Laboratorio Remoto de Electrónica (eLab), construya las curvas características de voltaje contra corriente del dispositivo 2 para un Vgs = 0 y para un Vgs = 1/2 VTO.

PF1 – Características V-I de FETs

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(Insertar aquí la imagen correspondiente)

a) De las curvas características del dispositivo 1, determinar la corriente máxima de saturación del drenador.

Corriente máxima de Saturación b) De las curvas características del dispositivo determinar el voltaje de estrangulamiento del FET.

Voltaje de Estrangulamiento VTO c) De acuerdo a la temperatura a la cual se encuentra operando el FET, determine cuál es la capacidad máxima de potencia del dispositivo.

Potencia máxima d) ¿En base a las mediciones anteriores puede determinar de qué tipo de FET se trata?

Tipo de FET Modelo Dispositivo 2

V. Dispositivo 3. Empleando la interface gráfica del Laboratorio Remoto de Electrónica (eLab), construya las curvas características de voltaje contra corriente del dispositivo 1 para un Vgs = 0 y para un Vgs = 1/2 VTO.

(Insertar aquí la imagen correspondiente)

(Insertar aquí la imagen correspondiente)

PF1 – Características V-I de FETs

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a) De las curvas características del dispositivo 1, determinar la corriente máxima de saturación del drenador.

Corriente máxima de Saturación b) De las curvas características del dispositivo determinar el voltaje de estrangulamiento del FET.

Voltaje de Estrangulamiento VTO c) De acuerdo a la temperatura a la cual se encuentra operando el FET, determine cuál es la capacidad máxima de potencia del dispositivo.

Potencia máxima

d) En base a las mediciones anteriores, ¿puede determinar de qué tipo de FET se trata?

Tipo de FET Modelo Dispositivo 3

COMENTARIOS Y CONCLUSIONES. VII. a) Analizar los resultados y proporcionar una explicación detallada.

b) Basándose en los resultados de la práctica, determinar qué tipo de JFET es el utilizado.

c) Explicar con sus propias palabras como funciona un JFET.

d) ¿Cuál es la importancia de la fuente de voltaje VGG?