JFET: continua, señal y conmutación
Dos 2N5457 de la misma bolsa, en el mismo circuito, pueden conducir 0,4 y 2,9 mA. El JFET es el transistor de menor ruido con fuentes de alta impedancia, y también el más disperso.
01Un canal que se estrangula
El transistor de efecto de campo de juntura (JFET) es la idea más directa de controlar una corriente con una tensión. Un canal de silicio tipo N une dos terminales, drenador y fuente, y a los costados tiene regiones P⁺ unidas entre sí que forman la compuerta. La juntura compuerta-canal se polariza en inversa, y su zona de agotamiento, que no conduce, se mete en el canal y lo angosta. Más tensión inversa, canal más angosto, menos corriente.
A diferencia del bipolar, la compuerta no inyecta nada: por ella circula solo la corriente inversa de una juntura, del orden de picoamperes. El JFET es un dispositivo de mayoritarios, controlado por tensión, con una impedancia de entrada altísima. La física de la zona de agotamiento es la misma de la juntura PN: su ancho crece con la raíz de la tensión inversa.
02Estrangulamiento y la ecuación de Shockley
Cuando la tensión compuerta-fuente llega a la tensión de estrangulamiento \( V_P \) (las hojas de datos la llaman \( V_{GS(\text{off})} \)), las dos zonas de agotamiento se tocan y el canal se cierra. Con \( V_{GS} = 0 \) circula la corriente máxima, \( I_{DSS} \). Entre esos extremos, y con suficiente tensión de drenador, la corriente sigue una parábola:
Con \( V_{DS} \) chica el canal se comporta como una resistencia controlada por la compuerta (la zona óhmica o de tríodo):
El problema práctico del JFET es la dispersión. \( I_{DSS} \) y \( V_P \) dependen del dopaje y del espesor del canal, que se controlan mal: la hoja de datos del 2N5457 admite \( I_{DSS} \) de 1 a 5 mA y \( V_{GS(\text{off})} \) de −0,5 a −6 V. Dos transistores de la misma bolsa pueden ser muy distintos.
03Polarización
Como la compuerta se polariza en inversa, el circuito más simple es la autopolarización: la compuerta a masa por una resistencia grande y una resistencia \( R_S \) en la fuente. La corriente de drenador levanta la fuente, y la compuerta queda negativa respecto de ella:
La resistencia de fuente realimenta: si la corriente sube, \( V_{GS} \) se hace más negativa y la frena. Pero con la dispersión del 2N5457 no alcanza, como muestra el laboratorio. La solución de diseño es un divisor en la compuerta y una \( R_S \) grande, para que la corriente la fije \( (V_G - V_{GS})/R_S \) con \( V_G \) mucho mayor que la variación de \( V_{GS} \); o directamente seleccionar los transistores, que es lo que se hace en los preamplificadores de audio.
La curva de transferencia \( I_D(V_{GS}) \) del transistor y la recta de polarización \( V_{GS} = -I_D R_S \): el punto de trabajo está donde se cruzan. Elegís \( I_{DSS} \), \( V_P \), las resistencias y la alimentación. Con la opción de dispersión se superponen los dos ejemplares extremos que admite la hoja de datos del 2N5457 en el mismo circuito.
04Modelo de pequeña señal
En saturación, el JFET es una fuente de corriente controlada por \( v_{gs} \), con una transconductancia que sale de derivar la parábola:
La comparación con el bipolar es instructiva: a 1,5 mA un bipolar tiene \( g_m = 58 \) mS, más de veinte veces más. El JFET amplifica menos por miliampere, pero a cambio su entrada no toma corriente y tiene muy poco ruido cuando la fuente de señal tiene alta impedancia.
05El JFET como llave analógica
En la zona óhmica y con \( V_{GS} = 0 \), el canal es una resistencia chica que deja pasar la señal en los dos sentidos; con \( V_{GS} \) más allá de \( V_P \), el canal se abre y la resistencia es de gigaohms. Eso lo convierte en una llave analógica: el J111 está especificado con \( r_{DS(\text{on})} \leq 30 \) Ω. Se usó mucho en multiplexores analógicos, muestreadores y control automático de ganancia, donde el canal funciona como resistencia variable controlada por tensión. Hoy esas funciones las cumplen mayormente llaves CMOS integradas.
06Dónde aparece en la electrónica
| Caso | Por qué un JFET |
|---|---|
| Micrófono electret | La cápsula trae un JFET adentro que adapta la impedancia altísima de la membrana cargada |
| Operacionales con entrada JFET (TL072) | Corrientes de polarización de decenas de picoamperes, contra nanoamperes de un bipolar |
| Preamplificadores de sensores piezoeléctricos y fotodiodos | Poco ruido con fuentes de alta impedancia |
| Fuentes de corriente de dos terminales | Un JFET con la compuerta unida a la fuente conduce \( I_{DSS} \) casi con cualquier tensión: el «diodo de corriente constante» |
| Potencia en carburo de silicio | JFET de SiC para conmutar cientos de volts con pocas pérdidas |
07En el laboratorio
Con un 2N5457, medir la corriente de drenador con la compuerta unida a la fuente y 10 V de drenador: es \( I_{DSS} \). Después, bajar \( V_{GS} \) hasta que la corriente caiga a 10 µA: es una buena estimación de \( V_{GS(\text{off})} \). Comparar entre tres o cuatro transistores de la misma bolsa.
Medir \( I_D \) para cinco valores de \( V_{GS} \) y ajustar la parábola de Shockley. Calcular \( g_m \) en dos puntos y verificar que crece con la raíz de la corriente.
Con \( V_{DS} \) de pocos cientos de milivolts, medir la resistencia del canal para varios valores de \( V_{GS} \) y usarla en un divisor para armar un atenuador controlado por tensión.
08Errores frecuentes
- Polarizar la compuerta en directa. La juntura conduce y se pierde la alta impedancia de entrada.
- Diseñar con los valores típicos de \( I_{DSS} \) y \( V_P \). La dispersión es enorme; hay que verificar el circuito con los extremos.
- Confundir la saturación del JFET con la del bipolar. En el JFET, saturación es la zona de amplificar.
- Olvidar la condición \( V_{DS} \geq V_{GS} - V_P \). Si no se cumple, el transistor está en la zona óhmica y la ecuación de Shockley no vale.
- Usar el signo equivocado de \( V_P \). En canal N es negativa; en canal P, positiva.
09Autoevaluación
¿Por qué la corriente de compuerta de un JFET es tan chica?
Porque la juntura compuerta-canal está en inversa y solo circula su corriente de fuga, del orden de picoamperes.
Con \( I_{DSS} = 8 \) mA y \( V_P = -4 \) V, ¿cuánto vale \( I_D \) con \( V_{GS} = -2 \) V?
\( 8 \times (1 - 0{,}5)^2 = 2 \) mA.
¿Y la transconductancia en ese punto?
\( g_m = \dfrac{2 \times 8}{4} \times 0{,}5 = 2 \) mS.
¿Qué resistencia de fuente autopolariza ese punto?
\( R_S = 2 \text{ V} / 2 \text{ mA} = 1 \) kΩ.
¿Por qué se usa un JFET adentro de un micrófono electret?
Porque la cápsula tiene una impedancia altísima y el JFET, con su compuerta que no toma corriente, la adapta a una salida de impedancia baja.
10Para ampliar
- Paul Horowitz y Winfield Hill. The Art of Electronics. 3.ª ed., Cambridge University Press, 2015. El capítulo de transistores de efecto de campo, con la dispersión de los JFET medida y los circuitos que la toleran.
- Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith. Microelectronic Circuits. 7.ª ed., Oxford University Press, 2014. El JFET en el mismo marco que el MOS, con polarización y modelo de pequeña señal.
- Ben G. Streetman y Sanjay Kumar Banerjee. Solid State Electronic Devices. 7.ª ed., Pearson, 2015. La deducción de las curvas del JFET a partir del ancho de la zona de agotamiento.