Laboratorio “
1
EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO
”
Asignatura: ELECTRÓNICA II
i.
INTRODUCCION.
Los transistores más conocidos son los llamados bipolares (NPN y PNP), llamados así porque la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran nmero de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante ba!a" #$isten #$isten unos dispositivos dispositivos que eliminan eliminan este inconveniente inconveniente en particular y que pertenecen a la %amilia de dispositivos en los que e$iste un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares" &e llama transistor de e%ecto campo" 'n transistor de e%ecto campo (#) típico está %ormado por una barrita de material p ó n, llamada canal, rodeada en parte de su longitud por un collar del otro tipo de material que %orma con el canal una unión p*n" #n los e$tremos e$tremos del canal se hacen sendas cone$iones óhmicas llamadas llamadas respectivamen respectivamente te +rena!e (d* drain) y uente (s*source), más una cone$ión llamada ompuerta (g*gate) en el collar"
ii.
OBJETIVOS.
•
-edir el valor del volta!e de polarización inversa compuerta*%uente requerido para producir estrangulamiento de un valor dado de volta!e de %uente a drena!e" +eterminar el valor del volta!e de drena!e a %uente requerido para producir una corriente de drena!e constante" #$perimentar con una con%iguración básica, el ampli%icador de %uente comn con .# en / a ba!a %recuencia"
• •
iii.
MARCO TEORICO.
#n esta práctica de laboratorio, vamos a abordar el estudio de un dispositivo de tres terminales cuyo rango de aplicabilidad coincide en muchos casos, con el del transistor 0. visto con anterioridad" / los transistores de e%ecto de campo se les conoce abreviadamente como # (ield #%%ect ransistor) y entre ellos podemos distinguir dos grandes tipos1 • ransistor de #%ecto de ampo de 'nión1 .# (.unction ield #%%ect ransistor)
• ransistor de #%ecto de ampo -etal * 2$ido * &emiconductor1 -3&# (-etal 3$ide
&emiconductor ield #%%ect ransistor)" 4amos a comenzar el estudio de este tipo de transistores viendo algunas de las principales analogías y di%erencias e$istentes entre los transistores # y los 0." #n primer lugar, la principal di%erencia entre ambos radica en el hecho de que el transistor 0. es un dispositivo controlado por corriente, mientras que los transistores # son dispositivos controlados por volta!e" #n ambos casos, la corriente del circuito de salida es controlada por un parámetro del circuito de entrada, en un caso el nivel de corriente y en el otro el nivel de tensión aplicada" #n los transistores # se crea un campo el5ctrico que controla la anchura del camino de conducción del circuito de salida sin que e$ista contacto directo entre la magnitud controlada (corriente) y la magnitud controladora (tensión)" +e %orma análoga a como en los transistores bipolares e$isten dos tipos npn y pnp, en los transistores de e%ecto de campo se habla de transistores #s de canal n y de canal p" 'na di%erencia importante entre ambos tipos de transistores consiste en que mientras que los transistores 0. son bipolares, es decir, en la corriente intervienen los dos tipos de portadores (electrones y huecos), los transistores # son unipolares, en los que el nivel de conducción dependerá nicamente de un nico tipo de portadores1 de los electrones en los de canal n y de los huecos en los de canal p" 'na de las características más importantes de los #s es su alta impedancia de entrada con niveles que pueden varias desde uno hasta varios cientos de mega ohmios, muy superiores a la que presentan los transistores bipolares que presentan impedancias de entrada del orden de unos pocos 6ilo ohmios" #sto proporciona a los # una posición de venta!a a la hora de ser utilizados en circuitos ampli%icadores" &in embargo, el transistor 0. presenta mayor sensibilidad a los cambios en la se7al aplicada, es decir, la variación de la corriente de salida es mayor en los 0. que en los # para la misma variación de la tensión aplicada" Por ello, típicamente, las ganancias de tensión en alterna que presentan los ampli%icadores con 0. son mucho mayores que las correspondientes a los #" #n general los # son más estables con la temperatura y, normalmente, más peque7os en construcción que los 0., lo que les hace particularmente tiles en circuitos integrados (sobre todo los -3&#)" 'na característica importante de los # es que se pueden comportar como si se tratasen de resistencias o condensadores, lo que posibilita la realización de circuitos utilizando nica y e$clusivamente transistores #" Los .# los podemos clasi%icar en dos grandes grupos1 • .# de canal n • .# de canal p &e ha representado la construcción básica de un .# de canal n" Podemos observar como la mayor parte de la estructura es de material tipo n ligeramente dopado %ormando un canal con contactos óhmicos en ambos e$tremos (terminales de +renador y uente)" #ste canal se encuentra inserto entre dos regiones de compuerta tipo p8 (material tipo p %uertemente dopado) con sendos contactos óhmicos que constituyen los terminales de puerta" #n algunos casos los dos terminales de puerta están accesibles (.# de doble puerta) aunque lo más habitual es que ambos terminales est5n cortocircuitados teniendo un nico terminal de puerta (dispositivo de tres terminales)"
#n ausencia de potencial aplicado, las dos uniones p*n que aparecen están sin polarizar" #l resultado es una región de vaciamiento o zona de deple$ión (región carente de portadores libres) de %orma similar a la que se vio en su día al analizar en el diodo la unión p*n en ausencia de polarización"
igura 9" #l ransistor 0. erminales de cone$ión"
D = Drenador: (Del inl!" Drain#. E" el $er%inal &or al 'e "alen lo" &or$adore" del di"&o"i$i)o (lo" ele*$rone" en el JFET de *anal n + lo" ,e*o" en el de *anal . S = Fen$e: (Del inl!" Sor*e#. E" el $er%inal &or el 'e en$ran lo" &or$adore". - = Per$a: (Del inl!" -a$e#. E" el $er%inal %edian$e el 'e "e *on$rola la *orrien$e de &or$adore" a $ra)!" del *anal. omo podemos observar, la di%erencia en el símbolo entre ambos tipos reside en el sentido de la %lecha del terminal de puerta (:)" #n el .# de canal n el terminal de puerta se representa con una %lecha entrante al dispositivo, mientras que en el de canal p es saliente" ;ecordar que el sentido de la %lecha indica el sentido de circulación de la corriente si la unión pn correspondiente estuviera polarizada en directa" Para el %uncionamiento más habitual, los transistores de canal n se polarizan aplicando una tensión positiva entre drenador y %uente (4+&) y una tensión negativa entre puerta y %uente (4:&)" +e esta %orma, la corriente circulará en el sentido de drenador a %uente" #n el caso del .# de canal p la tensión 4+& a aplicar debe ser negativa y la tensión 4:& positiva, de esta %orma la corriente %luirá en el sentido de la %uente hacia el drenador" &e presenta la polarización del #"
igura <" Polarización del .#
Prin*i&io de Fn*iona%ien$o. #n primer lugar vamos a estudiar el e%ecto que sobre el dispositivo tiene la variación de la tensión 4+& aplicada entre los e$tremos del canal" Para ello vamos a suponer que inicialmente la tensión 4:& = > y vamos a ir aumentando el valor de 4+& desde > #%ecto de la tensión 4+&" #l canal se estrecha de la zona del drenador" /l establecer una tensión 4:& = > los terminales de %uente y puerta están al mismo potencial, por tanto la zona de deple$ión del lado de la %uente será seme!ante a la que teníamos en condiciones de no polarización" #n el instante en que apliquemos una tensión 4+&, los electrones se verán atraídos hacia el lado del drenador, estableci5ndose una corriente ?+" 0a!o estas condiciones las corrientes ?+ e ?& serán iguales y se verán nicamente limitadas por la resistencia el5ctrica que presenta el canal entre el drenador y la %uente" #s importante notar que ambas uniones p*n se encuentran polarizadas en inversa, con lo cual la corriente a su vez será prácticamente nula" uando aplicamos una tensión 4+&, esta se distribuirá a lo largo del canal, distribución, que en un principio y para tensiones peque7as, podemos suponer uni%orme" +e esta %orma, si nos %i!amos en la polarización inversa de las uniones p*n, podemos observar como 5stas están más inversamente polarizadas de la zona del drenador que de la zona de la %uente" &i recordamos que la anchura de la zona de carga de espacio en una unión p*n polarizada en inversa es tanto mayor cuanto mayor sea dicha polarización inversa, tendremos que la anchura de estas zonas deple$ión son tanto mayores"
igura @" :ra%ico de %uente comn del .#
&i continuamos aumentando la tensión 4+&, el canal se estrecha cada vez más, especialmente cerca de la zona del drenador, hasta que ambas zonas de deple$ión de tocan" La tensión 4+& para la cual se produce el estrangulamiento del canal se denomina 4+&sat " Para tensiones 4+& aplicadas superiores a este valor, la pendiente de la curva (?+ * 4+&) se satura, haci5ndose apro$imadamente cero, manteni5ndose la corriente ?+ prácticamente constante a un valor denominado ?+&& (orriente drenador * %uente de saturación) que es la má$ima corriente que podemos tener para un determinado .# (característico para cada .#)" #n un principio, podríamos pensar que si el canal se cierra por completo la corriente que circula por el mismo debería ser nula" &i ?+ %uera nula, no habría corriente en el canal en ningn punto, y el potencial a lo largo de 5ste sería el mismo que con 4+& = >, es decir, cero en todo lugar" &i en el canal el potencial es cero en todos sus puntos, las uniones p*n estarían con polarización nula, y a su vez el canal tendría que estar abierto por completo desde la %uente hasta el drenador, con lo que se contradice de %orma clara la suposición inicial de un canal cerrado" #n otras palabras, debe %luir una corriente en el .# para inducir y mantener la condición de estrangulamiento" Auizás la di%icultad conceptual se encuentra a menudo con respecto a que la condición de estrangulamiento proviene de la necesidad de que %luya una corriente elevada por una zona de vaciamiento" &in embargo, en los dispositivos de estado sólido no son inusuales los %lu!os de corriente elevados por zonas de vaciamiento (recordar un transistor 0. donde la unión de colector, en la zona activa, está polarizada en inversa y sin embargo a su trav5s circulan corrientes elevadas)" Para valores peque7os de la tensión 4+& aplicada, el estrechamiento del canal no será importante, por lo que el dispositivo se comporta, en esencia, como una resistencia de %orma que la relación entre la tensión aplicada y la corriente que circula por el dispositivo será lineal tal y como establece la Ley de 3hm" &in embargo, a medida que aumentamos la tensión aplicada, el estrechamiento del canal se va haciendo más importante, lo que lleva consigo un aumento de la resistencia y por tanto un menor incremento en la corriente ante un mismo incremento de la tensión aplicada"
igura B" +istintas polarizaciones del .#
i).
DESCRIPCION DE LA PRCTICA. #sta práctica comprende tres partes" #n la primera parte se varía el volta!e de drena!e a %uente
en di%erentes valores y se toma lectura de la corriente de drena!e para cada variación, con la %inalidad de gra%icar una curva ?+ vrs" 4+& y determinar en ella el volta!e de estrangulamiento (4p)" #n la segunda parte se de!a %i!o el volta!e de drena!e (4++) y se aumenta lentamente el volta!e de compuerta*%uente (4:&) hasta que la corriente ?+ llega a cero repiti5ndolo varias veces hasta determinar el valor e$acto de este volta!e el cual será el valor de (4p)" La parte ??? se realizará implementando un circuito ampli%icador de volta!e con .# y se medirá en el la ganancia de volta!e"
).
MATERIAL / E0UIPO A UTILI1AR
a) < -ultímetros digitales
2# < uentes de +"" >*9C 4d"c" *# 9 ;esistencia de 9>> Ω d# 9 ;esistencias de 9 -Ω e# 9 ;esistencia de B"D E Ω 3# 9 ;esistencia de 9 E Ω # 9 .# canal N ,# 9 apacitor de >"><< µ i# 9 apacitor de
)i.
DESARROLLO DE LA PRACTICA
PARTE I. 9" onecte el circuito mostrado en la %igura 9"@"
6. /!uste el volta!e %uente 4dd del drena!e hasta que la caída de volta!e hacía la %uente 4ds que indica el multímetro conectado entre el drena!e y la %uente indique >"C volts"
100
W
_
A
+
+
D G
+ V S
0 - 15 Vdc _
_
?:';/ 9*@ @" ome nota del valor de la corriente ?d de drena!e que indica el multímetro y apntelo en el cuadro de 4ds=>"C volts de la tabla 9"9"
Vd" ()ol$"# Id (%a# >"> >"C 9"> 9"C <"> <"C @"> @"C B"> B"C C"> F"> D"> G"> 9>"> 9C"> TABLA 7.7. B" &iga aumentando 4dd y registre el valor correspondiente de ?d para cada valor de 4ds listado en la tabla 9"9 8. -arque los datos registrados en la tabla 9"9 sobre la grá%ica mostrada en la %igura 9*B" +ibu!e una curva continua a trav5s de los puntos indicados"(?ds vrs" 4ds)"
?:';/" 9*B F" #n su curva, se7ale el punto donde termina el aumento rápido en ?d y comienza el %lu!o de corriente constante" +ibu!e una línea vertical desde este punto hasta la escala 4ds" ;egistre el valor de volta!e de estrangulamiento de drena!e * %uente 4p" 4p (4ds)= HHHHHHHHHHHHHHHHHH 4dc 'n valor típico de 4p es el de @"C 4olts" /unque e$iste considerable variación entre los .#s del mismo tipo" Iasta el valor de 4p, ?d depende de 4ds, a lo que se conoce como la región óhmica del .#" /rriba de 4p no se produce ningn aumento signi%icativo en la ?d como consecuencia de aumentar 4ds" / esta área se le conoce como región de corriente constante" D" 0a!e el volta!e de la %uente de energía a cero"
PARTE II. 9" onecte el circuito mostrado en la %ig" 9*C" <" /!uste el volta!e de drena!e 4dd de la %uente a 9>"> 4cd" @" Lentamente aumente el volta!e 4gs de polarización de compuerta * %uente hasta que la corriente ?d de drena!e apenas llegue a cero, y repítalo hasta asegurarse de cuál es el punto e$acto donde ?d cae a cero" ;ecuerde el valor de 4gs indicado en el multímetro pues es el volta!e 4p de estrangulamiento de compuerta*%uente" 4p (4gs)= HHHHHHHHHHHHHHHH 4cd"
&u valor de 4p debe ser apro$imadamente igual al valor determinado en el procedimiento JFK de la primera parte" &in embargo, ya que los e%ectos de estrangulamiento se producen por dos m5todos distintos, los volta!es que se requieren para producirlo por separado no necesariamente deben ser iguales" B" 0a!e todos los volta!es de %uente de energía a cero" 100
1M
_
W
_
A
+
+
D
W
G 10 Vdc _
0 - 10 Vdc
S
V + _
+
?:';/ 9*C
PARTE III. AMPLIFICADOR DE FUENTE COMUN CON JFET 9" /rme el circuito mostrado en la %igura 9"F (sin conectar = 4d" +VDD 4.7 K
0.022 uF NTE 312
1 KHz
Vo 1M
igura 9"F
1K
25 uF
@" -ida los siguientes volta!es, los primeros dos respecto a la re%erencia (sin encender el generador de /)" 4+ = HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH 4& = HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH 4:& = HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH B" ?ndique si la compuerta es negativa respecto a la %uente" 9" /!uste el generador de / a 9 EIz para onda senoidal a un nivel de se7al de @>> m4 pico*pico, enci5ndalo y aplíquelo al circuito" <" 'sando el osciloscopio observe en %orma simultánea y dibu!e las %ormas de onda en el + y : de .# y conteste1 * Iay des%ase entre las dos se7alesM HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH * 4alor pico * pico en el +M HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH * 4alor pico * pico en la :M HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH D" on los valores anteriores, uál es la ganancia del ampli%icadorM
/v = 4o 4i G" onecte el capacitor de paso =
9" on los mismos @>> m4 en la compuerta, mida el valor de + e indique ahora cual es la ganancia del ampli%icador" 2. Au5 deduce de lo anteriorM"
)ii.
CUESTIONARIO.
7. En la rei9n de *orrien$e *on"$an$e la re"i"$en*ia del *anal de2e a%en$ar o &er%ane*er ial &ara 'e la *orrien$e &er%ane;*a *on"$an$e *on lo" %a+ore" )alore" de Vd". E<&li'e. RESPUESTA: &i 4ds se hace positiva (y 4gs sigue siendo cero) por el canal circulará una corriente entre drena!e y %uente, que hará que la polarización inversa de la unión no sea uni%orme en toda su longitud y, en consecuencia, en la parte más pró$ima al drena!e, que es la más polarizada, la capa desierta penetrará más hacia el interior del canal" Para valores peque7os de 4ds, la corriente de drena!e es una %unción casi lineal de la tensión, ya que la penetración de la capa desierta hacia el interior del canal no varía substancialmente de su valor inicial" &in embargo, a medida que aumenta la tensión aumenta tambi5n la polarización inversa, la capa desierta pro%undiza en el canal y la conductancia de 5ste disminuye" #l ritmo de incremento de corriente resulta, en consecuencia, menor y llega un momento en que el canal se ha hecho tan estrecho en las pro$imidades del
dr!"# que
un incremento de 4ds apenas tiene e%ecto sobre la corriente de
drena!e" #ntonces se dice que el transistor está traba!ando en la zona de estricción (pinch*o%%),
6. Cando n JFET en *ond**i9n &re"en$a na *ada de )ol$a4e a lo laro de " *anal ,a*e 'e "e 3or%e na rei9n de ao$a%ien$o. 0e &rod*e e"$e e3e*$o> RESPUESTA: La compuerta (:) está polarizada negativamente respecto a la %uente (&), por lo que la unión P*N entre ellas se encuentra polarizada inversamente y e$i$% &$ cr"' u!" c"(" d$)r%" o r*)+! d "*o%",)!%o.
&i el material de la puerta está más dopado que el del canal, la
mayor parte de la capa estará %ormada por el canal" &i la tensión de la puerta es cero, y 4ds = >, las capas desiertas pro%undizan poco en el canal y son uni%ormes a todo lo largo de la unión"
?.
Si "e a&li*a el )ol$a4e V& de e"$ranla%ien$o a la ni9n de *o%&er$a @ 3en$e "e &ede e"&erar 'e la *orrien$e de drena4e "ea: RESPUESTA: /l ir incrementando la tensión de drena!e (4+&) la corriente comienza a aumentar linealmente produciendo una mayor caída de tensión en el canal que eleva la polarización inversa de puerta y produce el estrechamiento del canal" #ste estrechamiento no es uni%orme, sino que es más pronunciado en las zonas más le!anas del terminal de %uente" Iay un nivel de tensión 4+& que produce la estrangulación o saturación del canal"
/ partir de ese valor la corriente ?+ se mantiene prácticamente constante %rente a los aumentos de 4+&" #s imposible que se produzca el estrangulación total del canal (cierre total del mismo) y en consecuencia que la corriente resulte nula, pues ese mismo e%ecto producirá una disminución de la polarización inversa revirtiendo el proceso (apertura del canal)" Para tensiones 4+& muy elevadas se produce un e%ecto de ruptura en avalancha y la corriente aumenta bruscamente"
7. De '! de&ende la anan*ia de )ol$a4e en n a%&li3i*ador JFET> RESPUESTA: La ganancia de volta!e de un transistor .#, depende de la relación entre su volta!e de entrada respecto al volta!e de salida. #n los ampli%icadores, gracias a los transistores se consigue la intensidad de los sonidos y de las se7ales en general" #l ampli%icador posee una entrada por donde se introduce la se7al d5bil y otra por donde se alimenta con "" La se7al de salida se ve aumentada gracias a la aportación de esta alimentación, siguiendo las mismas variaciones de onda que la de entrada" uando un ampli%icador realiza la %unción de elevar la se7al que ha sido aplicada a su entrada, se dice que ha producido una determinada ganancia" &e puede decir que la ganancia de un ampli%icador es la relación que e$iste entre el valor de la se7al obtenida a la salida y el de la entrada" +ependiendo de la magnitud el5ctrica que estemos tratando, se pueden observar tres tipos de ganancia1 ganancia en tensión, ganancia en corriente y ganancia en potencia"
6. E<&li'e *ando "*ede la *orrien$e de a)alan*,a en n JFET. RESPUESTA: omo se e$plico en la pregunta NO @, esto ocurre para tensiones 4+& muy elevadas porque entonces se produce un e%ecto de ruptura en avalancha y la corriente aumenta bruscamente"
?. E<&li'e '! "*ede *ando la *o%&er$a de en$rada e"$a &olari;ada en 3or%a dire*$a &or n %al di"eo del *ir*i$o. RESPUESTA: #l transistor simplemente no va a conducir porque es un dispositivo unidireccional y traba!a nicamente al estar conectado en polarización inversa en el caso de los .#"
)iii.
BIBLIO-RAFIA.
0oylestad, ;obert J#lectrónica1 eoría de circuitos y dispositivos electrónicosK 3ctava edición"
#ditorial Pearson #ducation" #nlaces a páginas eb1
,$$&:.i3en$.orLe**ione"3e$de3al$.,$% ,$$&:delea*ion.e$"iae.&%.e"inde<.&,&"endoea@ele*$roni*a@+@a$o%a$i*a786@ea@a&@ a&n$e"@$ran"i"$ore"3ile