Transistores de Efecto Campo de Unión (JFET): Diseño, Operación y Variantes Avanzadas

El concepto de transistor de efecto campo se remonta a las patentes estadounidenses de Julius Lilienfeld de 1926 y 1933 (1.900.018). En 1947, Shockley, Brattain y Bardeen exploraron el dispositivo, pero obstáculos prácticos los redirigieron hacia el transistor bipolar. La teoría seminal de Shockley apareció en 1952, pero solo en 1960 John Atalla fabricó un JFET funcional, marcando un hito en el procesamiento de semiconductores.

Un transistor de efecto campo (FET) es un dispositivo unipolar que conduce corriente usando un solo tipo de portador de carga. Una lámina tipo N hospeda electrones, mientras que una tipo P transporta huecos.

Operación del FET

A nivel de circuito, el voltaje de compuerta gobierna la resistencia del canal entre fuente y drenaje. En un dispositivo de canal N, el canal es una lámina de silicio tipo N ligeramente dopada; las regiones tipo P fuertemente dopadas a cada lado forman la compuerta, análoga a la base de un BJT. Los terminales fuente y drenaje corresponden al emisor y colector, respectivamente.

La fabricación de FETs exige un entorno de sala limpia. Incluso contaminación menor puede comprometer el dispositivo, haciendo la fabricación más desafiante que para transistores bipolares. Hoy, la mayoría de circuitos integrados emplean FETs de óxido-metal-semiconductor (MOS), pero los JFETs discretos siguen en uso.

En un JFET de canal N correctamente polarizado, la compuerta forma una unión diodo polarizada inversamente con la lámina fuente-drenaje. Cuando se aplica voltaje entre fuente y drenaje, el canal tipo N ligeramente dopado conduce en ambas direcciones —no se necesita polarización de compuerta para la conducción. Sin embargo, aplicar una polarización inversa a la compuerta expande la región de agotamiento, aumentando la resistencia del canal. El voltaje de compuerta en el que el canal se pellizca se llama voltaje de pellizco (V_P), típicamente unos pocos voltios.

La figura 1 ilustra cómo crece la región de agotamiento al aumentar la polarización inversa: (a) agotamiento inicial, (b) polarización moderada ensancha la región, (c) polarización mayor estrecha el canal, y (d) pellizco ocurre, elevando dramáticamente la resistencia.

Fuente y drenaje son intercambiables, permitiendo corriente en ambas direcciones para voltajes de drenaje bajos (<0,6 V). Para alimentaciones de drenaje más altas (decenas de voltios), la región de agotamiento se extiende hacia el drenaje, aumentando ligeramente la resistencia del canal. El símbolo esquemático para un FET de canal N se muestra abajo, con la flecha de compuerta indicando la unión tipo diodo.

En un dispositivo de canal P, los roles se invierten: el canal es tipo P, la compuerta es tipo N fuertemente dopada, y todas las polaridades de voltaje se invierten respecto a la configuración de canal N. La flecha esquemática apunta hacia afuera desde la compuerta.

Los JFETs discretos se fabrican con la compuerta posicionada en la superficie superior de la oblea, fuertemente dopada P⁺ para proporcionar una región de agotamiento ancha, y fuente/drenaje fuertemente dopados N⁺ para minimizar resistencia de contacto. El canal N⁻ ligeramente dopado permite penetración profunda del agotamiento inducido por la compuerta.

Los FETs de circuito integrado exponen los tres terminales en la superficie del chip, permitiendo capas de metalización interconectar múltiples dispositivos. Para aplicaciones analógicas de alta frecuencia, el canal bajo la compuerta se hace muy delgado, eliminando la necesidad de regiones de compuerta en ambos lados.

Transistor de Inducción Estática (SIT)

Los SITs son dispositivos de canal corto y compuerta enterrada diseñados para manejo de potencia. Presentan baja resistencia de compuerta y capacitancia compuerta-fuente mínima, permitiendo conmutación rápida. Los SITs pueden entregar cientos de amperios, miles de voltios y alcanzar frecuencias hasta 10 GHz.

FET Metal-Semiconductor (MESFET)

Los MESFETs se asemejan a JFETs pero usan un contacto metálico Schottky como compuerta en lugar de una unión diodo. La compuerta Schottky proporciona menor capacitancia y mayor velocidad. Los MESFETs son dispositivos de modo depletion (normalmente encendidos) y se emplean como amplificadores de potencia de microondas hasta 30 GHz. Pueden fabricarse en silicio, arseniuro de galio, fosfuro de indio, carburo de silicio y diamante.

Conclusiones Clave

• Los JFETs son dispositivos unipolares; la conducción del canal depende de un solo tipo de portador.
• La polarización inversa de la compuerta controla la resistencia del canal mediante expansión de la región de agotamiento.
• Fuente, compuerta y drenaje se corresponden directamente con emisor, base y colector del BJT.
• Variantes avanzadas —SIT y MESFET— extienden principios JFET a aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia.

Para Profundizar

• Hoja de Trabajo: Transistores de Efecto Campo de Unión (JFET)