Trabajar con JFET

Detalles sobre y cómo tratar con transistores de efecto de campo de unión (JFET) en el trabajo

Los JFETS están compuestos de capas de silicio cristalino de tipo N y P que han sido dopadas. Los principios subyacentes que involucran a los portadores de carga (electrones y huecos) son similares a los de los diodos y transistores bipolares, como se explicó en artículos anteriores (ELEVATOR WORLD, agosto y diciembre de 2014). Aunque más simple de entender, el JFET resultó más difícil de construir (al principio) que el transistor bipolar.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido:
♦ Qué componen los JFET y sus características básicas
♦ Cómo funciona un JFET
♦ Las diferencias y beneficios de los JFET de canal N y P
♦ El papel de los JFET en la revolución digital
♦ Cómo solucionar problemas y probar circuitos digitales que contienen JFET

Propósito

El JFET siempre ha tenido ventajas palpables sobre el transistor bipolar y, durante un tiempo, dominó la escena de los semiconductores de tres hilos hasta que, a su vez, fue apartado por el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET), que finalmente triunfó como componente discreto y dentro de los circuitos integrados (CI) (EW, octubre de 2014). Debido a que la puerta del MOSFET está aislada del canal, la impedancia de entrada es incluso mayor que la del JFET. La corriente extraída de la etapa anterior es muy baja, por lo que el circuito de salida se carga solo en una cantidad infinitesimal. Por esta razón y otras, los MOSFET se fabrican en grandes cantidades, tanto como componentes discretos como dentro de los circuitos integrados. Aún así, hay muchos JFET en equipos más antiguos que ahora requieren mantenimiento y servicio, y los JFET son los componentes de elección en aplicaciones especiales.

Anteriormente vimos que los diodos se forman cuando el silicio cristalino de tipo N y P con cables conectados se unen para formar dos capas con una unión entre ellas (EW, agosto de 2014). Por el contrario, los transistores bipolares se componen de tres capas (negativo-positivo-negativo o positivo-negativo-positivo), cada uno con un cable y dos uniones que los separan (EW, diciembre de 2014).

El flujo de corriente en el circuito de entrada regula un flujo de corriente mucho más pesado en el circuito de salida. Eso explica la amplificación, la oscilación y otros fenómenos útiles. El JFET utiliza las mismas propiedades de los semiconductores, pero la estructura y los parámetros eléctricos son diferentes. Esto puede generar dificultades en las pruebas y el diagnóstico sin una comprensión completa de lo que está sucediendo con los electrones y los huecos.

Composición

En lugar de un cilindro pequeño con tres cables que emergen de un extremo, el JFET se parece más a un disco plano. En un transistor bipolar, el flujo de corriente desde la base al emisor controla el flujo de corriente mucho mayor desde el emisor al colector. En lugar de base, emisor y colector, en el JFET hay una puerta, una fuente y un drenaje. (En realidad, hay dos puertas, una a cada lado del dispositivo. Por lo general, están conectadas entre sí internamente, por lo que, en esencia, son un solo elemento). La fuente y el drenaje se encuentran en cada extremo de un semiconductor dopado conocido como canal. . Puede ser de tipo N o P.

The source y drenaje comprenden el circuito de salida. Como en cualquier transistor, la sección de salida es básicamente una resistencia. La resistencia varía, a menudo a muy alta velocidad, de acuerdo con la señal aplicada a los terminales de entrada. Esta señal, en un transistor bipolar, provoca variaciones en la cantidad de corriente que fluye entre la base y el emisor. Es aquí donde la situación para un JFET es diferente. En lugar de un flujo de corriente en el circuito de entrada, el evento operativo es una carga eléctrica impuesta sobre la puerta.

Por supuesto, este voltaje tiene que estar referenciado a algo, y eso es the source. la puerta y the source, tomados en conjunto, forman un diodo, ya que son tipos opuestos (N y P) de silicio cristalino semiconductor. Cuando se polariza inversamente, hay una impedancia muy alta entre ellos. Puede imaginar la diminuta cantidad de corriente requerida para imponer una carga eléctrica en cuerpos tan pequeños como las dos puertas. Por lo tanto, una característica definitoria del JFET es que tiene una impedancia de entrada extremadamente alta, del orden de 100 megaohmios. No tiende a cargar el circuito aguas arriba, lo que, en muchos casos, es muy favorable. De hecho, una aplicación importante para el JFET ha sido como etapa de amplificación frontal en un voltímetro digital, donde es deseable ser invisible para el circuito bajo prueba, especialmente si ese circuito es de alta impedancia y vulnerable a la carga. Por supuesto, todo esto depende de que el circuito de entrada del JFET tenga polarización inversa; entonces, si la polaridad es incorrecta y el dispositivo tiene polarización directa, el transistor se destruye.

Estructura

Los JFET están disponibles en versiones de canal N y P. En el dispositivo de canal N, hay un excedente de electrones en el canal y funcionan como portadores de carga. The source y el drenaje también están hechos de silicio cristalino de canal N. Se adjuntan en cualquiera de los extremos. La puerta es del tipo opuesto. Cuando tiene un potencial con respecto a the source de 0 V, la corriente a través del canal es máxima. Luego, a medida que aumenta el voltaje negativo, los electrones son repelidos fuera de la puerta, de modo que el canal, en efecto, se vuelve más estrecho y menos conductor. La corriente a través del circuito de salida varía con el voltaje en la terminal de entrada. El canal está construido sobre un sustrato de silicio cristalino que ha sido dopado para que sea del tipo opuesto. Este sustrato puede o no estar conectado eléctricamente al circuito de soporte. Es principalmente útil cuando el JFET es parte de un circuito integrado.

En un JFET de canal P, los portadores de carga son huecos, en lugar de electrones. Aquí nuevamente, la corriente máxima en el canal ocurre cuando la puerta tiene un potencial de 0 V con respecto a the source. A medida que la puerta se vuelve más cargada en una dirección positiva, los orificios se repelen hasta que el canal se cierra de manera efectiva, momento en el que la corriente cae a 0. En este punto, el dispositivo se satura y se produce un mayor aumento de voltaje en la puerta. ningún efecto directo sobre la conducción del canal. El nivel de voltaje en la puerta que reduce el flujo de corriente en el dispositivo a 0 se conoce como "voltaje de pellizco". Eso y otros parámetros eléctricos y físicos se dan en la hoja de datos del fabricante.

De acuerdo con la Ley de Corriente de Kirchhoff, la cantidad de corriente es la misma en toda la fuente, canal y drenaje, tanto internamente como en el circuito exterior. Dado que solo hay un tipo de semiconductor en este circuito de salida, es simétrico y, en teoría, los terminales de fuente y drenaje son intercambiables. Sin embargo, en la práctica real, cuando la fuente de alimentación del drenaje supera los 0.6 V, se produce una distorsión en la forma de la zona conductora del canal, que disminuye su tamaño a medida que se acerca al drenaje. Por esta razón, en un JFET de canal N, el voltaje positivo debe aplicarse solo al drenaje.

Configuration

Como amplificador, el JFET se puede utilizar en cualquiera de estas configuraciones: puerta común, fuente común y drenaje común. El amplificador de puerta común corresponde a la configuración de base común del transistor bipolar. A pesar de ser la aplicación más fundamental, en realidad se ve con menos frecuencia que las otras configuraciones. Sin embargo, es el circuito de elección cuando se requiere que el amplificador opere en o cerca del límite de frecuencia superior del JFET. La configuración de puerta común proporciona una ganancia de alto voltaje pero una ganancia de corriente baja; en general, la ganancia de potencia es menor que en otras configuraciones. A diferencia de muchos amplificadores, la entrada y la salida están en fase para dispositivos de canal de tipo N y P. La impedancia de entrada es baja, mientras que la impedancia de salida es alta.

La configuración de amplificador JFET más utilizada es la conexión de fuente común. El transistor bipolar equivalente es el circuito de emisor común. La ganancia de potencia es alta y la impedancia de entrada es mucho más alta que en los circuitos bipolares, aunque más baja que la exhibida por los MOSFET. Las formas de onda de entrada y salida están desfasadas 180 grados, lo que no supone ningún inconveniente siempre que se tenga en cuenta. Si hay dos o cualquier otro número par de etapas, la salida final se vuelve a poner en fase con la entrada en la primera etapa.

La configuración del amplificador de drenaje común también se conoce como "seguidor de fuente". Proporciona un excelente almacenamiento en búfer y una alta impedancia de entrada, lo que significa que hay una carga mínima de la etapa anterior. En los JFET de canal N y P, la entrada y la salida están en fase.

Aplicación digital

Hasta ahora, este artículo ha examinado los JFET utilizados únicamente como dispositivos analógicos. Pero, la verdad es que los JFET (junto con otros dispositivos semiconductores) han jugado un papel esencial en la revolución digital que ha rehecho la electrónica y nuestro nuevo mundo en red.

El concepto subyacente en la tecnología digital es que, en lugar de energía, eléctrica y mecánica, lo que se procesa es información. Entonces, el pensamiento se convierte en acción: los ascensores (para tomar un ejemplo) recorren la longitud vertical de nuestros edificios de gran altura, abriendo y cerrando puertas para los pasajeros, respondiendo al sistema de alarma contra incendios y a los patrones de tráfico estadístico como si fueran capaces de pensar conscientemente.

La base del dominio digital es binaria. Solo se emplean dos números enteros (0 y 1) correspondientes a diferentes niveles de voltaje dentro y fuera de los semiconductores de silicio cristalino. Cero está "apagado" (eléctricamente) y falso (lógicamente), y 1 está "encendido" y "verdadero".

Las puertas lógicas se pueden construir utilizando relés electromecánicos, hidráulicos, neumáticos, moléculas, dispositivos ópticos o varias combinaciones de engranajes y engranajes. En equipos electrónicos, nuestro interés está principalmente en dispositivos semiconductores de silicio - diodos y transistores - debido a su extraordinaria confiabilidad, operación de alta velocidad, bajo consumo de energía, tamaño pequeño, disponibilidad en muchas variaciones y bajo costo.

Hay siete puertas lógicas digitales básicas. (Las entradas siempre se muestran a la izquierda y las salidas a la derecha). Son:

1. Y: hay dos (o más) entradas y una salida. Si ambas entradas son 1, la salida es 1. Si una (o más) entradas es 0, la salida es 0.
2. O: si una o ambas entradas son 1, la salida es 1. Si todas las entradas son 0, la salida es 0.
3. XOR (EXCLUSIVE-OR): esta puerta produce una salida 1 si cualquiera de las salidas (pero no ambas) es 1.
4. NO: un inversor lógico, esta puerta produce una salida 0 si la entrada es 1 y una salida 1 si la entrada es 0.
5. NAND: esto produce una salida 0 si ambas entradas son 1. Si una o ambas entradas son 0, produce una salida 1.
6. NOR: la salida es 1 si ambas entradas son 0. De lo contrario, la salida será 0.
7. XNOR: la salida es 1 si ambas entradas son iguales y 0 si las dos salidas son diferentes.         

Las puertas lógicas son los componentes básicos de los circuitos digitales, y en esta área, el MOSFET se ha vuelto dominante, dejando al JFET a un lado hasta cierto punto. Pero, simultáneamente, el escenario ha llegado a incluir otro dispositivo, el transistor de efecto de campo semiconductor metálico (MESFET). En una función de apoyo está el diodo de barrera Schottky (SBD), que se une al MESFET para formar un solo dispositivo construido sobre el mismo sustrato pero separado por una región de aislamiento que no es eléctricamente activa.

Los dispositivos cubiertos hasta ahora han sido basados ​​en silicio, pero para aplicaciones digitales que requieren altas velocidades, era necesario buscar en otra parte. Si bien es cierto que los electrones viajan a una fracción importante de la velocidad de la luz dependiendo del medio, se requieren períodos de tiempo mucho mayores para que entren y salgan de los dispositivos semiconductores. Y, donde a veces hay millones de diodos y transistores en un circuito integrado, esta latencia puede ser un problema. Es por eso que ciertos programas en computadoras (especialmente aplicaciones gráficas como Aperture) pueden funcionar lentamente incluso cuando la computadora no está conectada a una red y el disco duro no está funcionando.

Para remediar esta situación, los ingenieros se han inclinado hacia el arseniuro de galio (GaAs), que es un compuesto formado por galio y arsénico. Los electrones viajan mucho más rápido en los GaAs de tipo N que en el silicio. Los dispositivos semiconductores así fabricados, para los mismos voltajes de entrada, tienen una corriente de salida mucho más alta, lo que se traduce en una mayor ganancia. Con una corriente de salida más alta, la carga y descarga de la carga y las capacitancias parásitas ocurren a una tasa más alta, el resultado es una mayor velocidad de operación.

Los dispositivos GaAs han encontrado un nicho seguro en los circuitos integrados de alta velocidad para equipos digitales que operan a más de 100 mHz. Un ejemplo de esta tecnología es el MESFET que contiene el SBD mencionado anteriormente. El sustrato común de GaAs no está dopado y, por lo tanto, no es muy conductor. Las ventajas de esta construcción son que los dispositivos están aislados entre sí cuando se integran en un microchip. Además, se reducen las capacitancias parásitas entre el dispositivo y la tierra del circuito.

La puerta MESFET está directamente conectada al ánodo del diodo de barrera Schottky. El ánodo y el cátodo están unidos a un material tipo N fuertemente dopado, al igual que the source y desagüe en la sección MESFET. La puerta está unida a una pieza más ligeramente dopada de GaAs tipo N, que forma el canal. Para facilitar el funcionamiento a alta velocidad, el canal se hace lo más corto posible.

El funcionamiento del MESFET es similar al de un JFET de silicio, pero los parámetros eléctricos son diferentes. Estos dispositivos están disponibles en versiones de canal N solo porque el comportamiento de los orificios en un MESFET de canal P ha resultado problemático debido a la movilidad de deriva relativamente lenta dentro del canal.

Los circuitos digitales que también contienen JFET como componentes discretos dentro de los circuitos integrados están sujetos a fallas debido a la gran cantidad de piezas conectadas. Cuando ocurre una falla, se solicita al técnico electrónico que restaure la funcionalidad.

Localización de averías

El proceso de resolución de problemas y reparación puede variar desde lo increíblemente simple (como restablecer un dispositivo de sobrecorriente de circuito derivado) hasta algo tan difícil que el técnico se ve obligado al límite de sus conocimientos y experiencia, en cuyo caso es mejor considérelo como una experiencia de aprendizaje valiosa y mantenga una actitud positiva. No espere arreglar todo en unos minutos. A veces, se requiere paciencia y una recopilación metódica de información antes de que se produzca un progreso real.

Cuando se trata de resolución de problemas digitales, necesita las herramientas adecuadas, que se dividen en dos categorías: conocimiento (incluida la documentación específica del producto) y buen equipo de prueba. En cuanto a la documentación, una gran cantidad está disponible en Internet.

Como ejemplo, digamos que un ascensor ha dejado de funcionar. La lectura alfanumérica puede dar un código de error críptico. Si el manual de funcionamiento está disponible, debería poder buscar el código de error y descubrir el problema, junto con una solución sugerida. Si el manual de funcionamiento no está disponible, es probable que pueda descargarlo del sitio web del fabricante. En Internet, además de adquirir la documentación específica del producto del fabricante, escribir la marca, el modelo y la preocupación específica en un motor de búsqueda puede proporcionar numerosos foros técnicos y tutoriales que cubren problemas específicos del equipo. Cuando surgen dificultades físicas, como desmontar un gabinete de manera no destructiva para acceder al chasis, los videos de YouTube son de gran ayuda.

El mejor momento para hacer los preparativos es antes de que surjan problemas. Junto a los motores y paneles de control críticos, instale un conector telefónico y publique el número de la línea de ayuda técnica del fabricante, junto con los números de marca y modelo que pueden ser difíciles de encontrar rápidamente en la placa de identificación. Además, las copias de los manuales de operación e instalación y los esquemas deben guardarse en un gabinete cercano claramente marcado.

Cualquier equipo esencial para la seguridad o para el funcionamiento continuo (me viene a la mente un ascensor en un lugar público) debe ser objeto de una preparación minuciosa antes de que se produzca un mal funcionamiento. Las imágenes térmicas y un programa continuo de torsión de terminaciones de alta corriente deberían formar parte de la imagen.

Antes de mirar los semiconductores de baja potencia, verifique el flujo de energía principal. Por lo general, en equipos grandes, hay una alimentación principal trifásica con una desconexión (que se puede bloquear) que va al gabinete del controlador. Aquí, si el voltaje no es demasiado alto, se puede verificar la energía en las tres patas con un voltímetro. De allí a un rectificador. Cuando el equipo no funciona, los diodos y los condensadores electrolíticos grandes son los culpables frecuentes. Verifique visualmente cualquier signo de distorsión o quemaduras antes de realizar las verificaciones del medidor.

Si hay un bus de CC como en un variador de frecuencia, se recomienda mirar ambos extremos con un osciloscopio. El voltaje de CC debe verse limpio y uniforme con una mínima ondulación o armónicos. La mejor manera de tener una idea de esto para el equipo específico es tomar lecturas en un momento en que el equipo está funcionando normalmente. Para maquinaria crítica, es importante tomar lecturas a intervalos regulares para detectar tendencias dañinas antes de que haya una interrupción. Coloque un registro junto al equipo para que los resultados se puedan publicar para realizar comparaciones periódicas.

Si todo se ve bien en términos de las principales rutas de alimentación, es hora de mirar el circuito de control, que consistirá en una (o más) placa de circuito. Dado que los niveles de voltaje y corriente son mucho más bajos, es probable que los componentes defectuosos no se puedan detectar visualmente (por una apariencia quemada o distorsionada). Además, la resolución de problemas y el diagnóstico son más difíciles debido a la complejidad del circuito. Las placas de circuito impreso están cada vez más pobladas con componentes cada vez más pequeños y numerosos, lo que significa que las rutas de corriente son más difíciles de rastrear. En consecuencia, la tendencia se ha convertido en reemplazar placas de circuito completas, en lugar de componentes individuales. La dificultad aquí es que los tableros (o "tarjetas", como se les conoce a los más pequeños) se han vuelto bastante costosos. Si uno compra y reemplaza una placa de US $ 400 y el equipo aún no funciona, se cuestionará su conocimiento y juicio. Debido al bajo costo, es factible mantener un inventario de componentes y reemplazarlos según sea necesario. En un tablero apretado, es necesario emplear técnicas impecables de soldadura, disipación de calor y protección estática.

Las herramientas del oficio, además de documentación incluyendo esquemas, son multímetro, osciloscopio y sonda lógica. La sonda lógica generalmente está alimentada por un circuito y diferencia los estados alto y bajo únicos para los tipos de lógica principal. Las instrucciones de uso completas, los modelos disponibles y los planos para construirlos se pueden encontrar en Internet.

La prueba de transistores, incluidos los JFET, se realiza mejor con un medidor especializado: simplemente conecte los cables y lea los resultados. Alternativamente, se puede utilizar un multímetro (con o sin la función de prueba de diodos). Consulte los artículos de EW mencionados anteriormente sobre transistores para obtener el procedimiento completo utilizando nada más que la función de ohmímetro.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las siguientes preguntas de refuerzo del aprendizaje para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la p. 173 de este número.
♦ En un JFET, ¿qué terminales corresponden a base, emisor y colector?
♦ ¿Qué terminales componen el circuito de salida en un JFET?
♦ ¿Cuál es la impedancia de entrada típica en un JFET?
♦ ¿Qué sucede si el circuito de entrada en un JFET se polariza hacia adelante?
♦ ¿Por qué el MOSFET reemplazó al JFET en la mayoría de las aplicaciones?