Informe 6

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, MAYO 2012

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Informe de Laboratorio 6 - El Transistor MOSFET, Aplicación en Circuitos Digitales y Caracterización Eric F. Herrera, Iván L. Ram´ırez, David E. Ram´ırez Cód. 285843, Cód. 223313, Cód. 223327 Bogotá, Colombia

Abstract—This article presents the results obtained in the laboratory about the operation of a MOSFET transistor in logic circuits (logic gates) and about some important parameters that characterize them. To obtain some logic gates were designed, implemented and analyzed various circuits that allowed us to test the operation of a MOSFET transistor as a switch (Model S) and obtain its transfer function. Using a MOSFET inverter circuit, the SR Model was analyzed and found transistor parameters ROn and ROf f of it. In addition, the SCS model was studied too, and through analysis of a transistor characterization circuit , we obtained the graph ID − VDS for the transistor saturation zone’s , also to obtaining the threshold voltage (VT ), the linear resistance (RDS ) and the constant feature (K 0 W/L). It is very important to identify and know the main characteristics of the MOSFET transistors as these help us to understand the operation of the transistor, so that it can be used as an amplifier. Resumen—En este articulo se presentan los resultados obtenidos en el laboratorio acerca del funcionamiento de un transistor MOSFET en circuitos lógicos (compuertas lógicas) y de algunos parámetros importantes que los caracterizan. Para ˜ la obtención de algunas compuertas lógicas se disenaron, implementaron y analizaron diversos circuitos que nos permitieron comprobar el funcionamiento de un transistor MOSFET como un switch (Modelo S) y obtener su función de transferencia. Por medio de un circuito inversor MOSFET se analizo el Modelo SR del transistor y se encontraron los parámetros ROn y ROf f del mismo. Además se estudio el Modelo SCS del MOSFET, y mediante el análisis de un circuito de caracterización del transistor, se obtuvo la gráfica ID − VDS para la zona de saturación del transistor, además de obtener la tensión de umbral (VT ), la Resistencia lineal (RDS ) y la constante caracter´ıstica (k0 W/L). Es muy importante determinar y conocer las caracter´ısticas principales de los transistores MOSFET, ya que estas nos permiten entender el funcionamiento del transistor, para que este pueda ser usado como amplificador. Palabras Claves—Diodo Zener, Zona de Trabajo, Regulador, Fuente Regulada.

´ I. I NTRODUCCI ON El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que nos permite controlar señales eléctricas por medio de una pequeña señal de entrada. Es el elemento que inició una revolución en la electrónica, ya que por medio de el se consiguió la miniaturización de los componentes electrónicos, permitiendo la creación de los circuitos integrados y constituyendo el origen de los microprocesadores, la esencia de los ordenadores actuales.Existen dos tipos importante de transistores, el de Unión Bipolar (BJT) y el de Efecto de Campo (FET) que es el que se estudiara en el laboratorio. El objetivo de la practica es comprobar y entender el

funcionamiento de un transistor MOSFET, especialmente su aplicación en el modelado de circuitos lógicos; y caracterizar el transistor obteniendo sus parámetros de fabricación y la curva que describe su funcionamiento.Es necesario tener en cuenta que se deben tener ciertos cuidados con los circuitos integrados que se utilizaron debido a que se pueden dañar fácilmente. Para obtener buenos resultados fue necesario un análisis completo de los posibles errores de los circuitos previstos para la caracterización del transistor, debido a que no fueron fácilmente apreciables. Sin embargo se obtuvieron parámetros caracter´ısticos reales, que nos permitirán realizar un mejor estudio de las aplicaciones de los transistores. Es esencial conocer y entender el funcionamiento de un transistor y sus modelos principales de funcionamiento(S, SR, SCS), ya que estos son los que nos permitieran utilizarlo como amplificador en diversos equipos electrónicos. ´ II. M ARCO T E ORICO A. Transistor Tipo FET Los transistores más conocidos son los llamados bipolares (NPN y PNP), llamados as´ı 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 número de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja. Existen unos dispositivos que eliminan este inconveniente en particular y que pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares. Se llama Transistor de Efecto de Campo (FET - Field Effect Transistor) [1]. El FET es un dispositivo semiconductor que controla un flujo de corriente por un canal semiconductor, aplicando un campo eléctrico perpendicular a la trayectoria de la corriente. Los terminales de este tipo de transistor se llaman Drenador (Drain), Fuente (Source) y el tercer terminal que es la Compuerta (gate) . La región que existe entre drain y source, y que es el camino obligado de los electrones es el canal. La corriente circula de Drain(D) a Source (S)[2]. 1) Estructura Básica: Como podemos ver en la Figura 1 en la que aparece representada la estructura básica para un MOSFET de enriquecimiento canal N, partimos de una zona de material semiconductor tipo p en la que aparecen dos zonas tipo n+ con contactos metálicos a los terminales de drain y source. El terminal Gate tiene una capa de material aislante,


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en este caso o´ xido de silicio. Además, este dispositivo tendr´ıa un cuarto terminal, el terminal del Sustrato (SS), aunque habitualmente e´ ste se encuentra conectado al terminal source [3].

Fig. 4. Fig. 1.

2) S´ımbolos: Los s´ımbolos más habituales utilizados para la representación en circuitos de los MOSFET de enriquecimiento son los que aparecen representados en la Figura 2.

Fig. 2.

Polarización del NMOS de enriquecimiento[3]

Estructura básica del MOSFET de Enriquecimiento canal N [3]

S´ımbolos de Transistores NMOS y PNMOS[4]

Los transistores MOSFET de Enriquecimiento de canal N se polarizan aplicando una tensión positiva entre Drain y Source (VDS ) y una tensión positiva entre Gate y Source (VGS ). De esta forma cuando VGS ¿0 aparece un campo eléctrico que lleva a los electrones hacia la zona de la puerta y aleja de dicha zona a los huecos, no pudiéndose establecer una corriente por estar la puerta aislada y creándose en la zona N el canal que unirá los terminales de Drain y Source; y por lo tanto tenemos un efecto de modulación de anchura del canal con la tensión (VGS ). Si una vez que se ha formado el canal aplicamos una tensión positiva, por el canal circulará una corriente ID en el sentido del Drain hacia la Source. A medida que el valor de (VDS ) aumente, el estrechamiento del canal comenzará a ser importante, variando la resistencia que presenta el canal y perdiendo la linealidad de la caracter´ıstica(Region Triodo). Hasta que la tensión (VDS ) alcance el valor de (VDS Sat ), momento en el cual el canal se habrá cerrado por completo. A partir de este instante, si se aumenta la tensión (VDS ), la corriente ID se mantiene constante [3].

3) Polarización: Para el funcionamiento más habitual, los transistores MOSFET de acumulación se polarizan tal y como aparece en las Figuras 3 y 3.

Fig. 3.

Polarización del NMOS de enriquecimiento[3]

Fig. 5.

Caracter´ıstica ID - VDS para una valor de VGS constante[3]


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En el caso del MOSFET de acumulación de canal p la tensión VDS a aplicar debe ser negativa y la tensión VGS negativa, de esta forma la corriente fluirá en el sentido de la Source hacia el Gate [3]. 4) Curvas Caracter´ısticas: En la Figura 6 se representan las curvas caracter´ısticas de un transistor MOSFET de enriquecimiento.

B. Compuertas Lógicas Una compuerta lógica es un circuito que genera una señal a la salida en función de la combinación de señales de entrada correspondientes a las diferentes funciones lógicas. Se trabajan dos estados lógicos el 0 y el 1, los cuales pueden asignarse de acuerdo a la lógica positiva , o la lógica negativa. En la lógica positiva (que es la mas utilizada) una tensión alta representa 1 binario y una tensión baja representa un 0 binario. Las diferentes compuertas, tiene una función lógica y un atabal de verdad propia que determina su funcionamiento [5]. 1) Compuerta NOT (NO): Esta compuerta presenta en su salida un valor que es el opuesto del que esta presente en su u´ nica entrada. En efecto, su función es la negación y se utiliza cuando es necesario tener disponible un valor lógico opuesto a uno dado[6]. Su s´ımbolo y Tabla de Verdad se muestran en la Figura 7.

Fig. 7. Fig. 6. N[3]

5) Zonas de Trabajo de un Transistor MOSFET: •

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•

Simbolo y Tabla de Verdad Compuerta NOT[6]

Caracter´ısticas Ideales de un MOSFET de Enriquecimiento canal

Zona de corte o de no conducción Corresponde con el eje horizontal de la gráfica. En esta zona la corriente ID = 0 con independencia del valor VDS . Esto se da para valores de VGS ≤ VT , donde el canal no esta completamente formado. ´ Zona Ohmica de no Saturación o Zona Triodo Se da para valores de VDS inferiores al de saturacion, es decir, cuando VDS ≤ VGS − VT . Para estos valores de tensión el canal se va estrechando de la parte de la Drain, principalmente, hasta llegar al estrangulamiento completo para VDS Sat . En esta zona el transistor se comporta aproximadamente como una resistencia variable controlada por la tensión de la Gate, sobre todo para valores pequeños de VDS , ya que a medida que nos aproximamos al valor de VDS Sat , y para cada valor de VGS se va perdiendo la linealidad debido al estrechamiento del canal que se aproxima al cierre. Zona de Saturación o de Corriente Constante. Esta zona se da para valores VDS > VDS Sat . Ahora la corriente ID permanece invariante frente a los cambios de VDS y sólo depende de la tensión VGS aplicada. En esta zona el transistor se comporta como una fuente de corriente controlada por la tensión que hay entra Gate y Source [3]. La relación entre la tensión VGS aplicada y la corriente ID que circula por el canal en esta zona viene dada por la Ecuación 1:

2) Compuerta AND (Y): Con dos o más entradas, esta compuerta realiza la función booleana de la multiplicación. Su salida será un 1 cuando todas sus entradas también estén en nivel alto. En cualquier otro caso, la salida será un 0. El operador AND se lo asocia a la multiplicación[6]. Su s´ımbolo y Tabla de Verdad se muestran en la Figura 8.

Fig. 8.

Simbolo y Tabla de Verdad Compuerta AND[6]

3) Compuerta OR (O): La función booleana que realiza la compuerta OR es la asociada a la suma, y matemáticamente la expresamos como “+”. Esta compuerta presenta un estado alto en su salida cuando al menos una de sus entradas también esta en estado alto. En cualquier otro caso, la salida será 0. Tal como ocurre con las compuertas AND, el número de entradas puede ser mayor a dos[6]. Su s´ımbolo y Tabla de Verdad se muestran en la Figura 9.

Fig. 9.

Simbolo y Tabla de Verdad Compuerta OR[6]

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Por medio de diferentes combinaciones de estas compuertas, podemos obtener compuertas mas complejas con funcionas lógicas diferentes tales como las compuertas NAND (combinación de una NOT y una AND), NOR (combinación de una NOT y una OR), etc.

Donde µn ∗ Cox es el parámetro de transconductancia del proceso kn0 , L la longitud del canal y W el espesor de capa de o´ xido.

C. Función de Transferencia de un Inversor Esta función determina la relación entre la tensión de entrada y la tensión de salida de un inversor. La curva de

ID =

1 W (µn ∗ Cox )( )(VGS − VT )2 2 L


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transferencia, de inversores reales como se ve en la Figura 10 es acampanada y no se hace tan fácil determinar algunos valores, de tal manera que hay que redefinir los valores de la tensión para la cual se considera que el inversor estará en un estado o en otro.

Fig. 10.

Fig. 12.

Compuerta AND

Fig. 13.

Compuerta NOR

Función de Transferencia de un Inversor Real [7]

Por conveniencia se toman aquellos valores de tensión en los que la curva de transferencia real tiene pendiente igual a uno, obtenemos entonces los valores: •

• • •

VOH : Será la tensión de salida para la que consideramos que cuando se supera, el estado del dispositivo esta en V(1). VOL : Cuando la tensión es inferior a e´ ste valor el dispositivo estará en V(0) VIL : Es la tensión de entrada por debajo de la cual considero que la entrada está en estado 0. VIH : Es la tensión de entrada por encima de la cual considero que la entrada está en estado 1.

Los valores comprendidos entre VIH y VIL y entre VOH y VOL determinan zonas inciertas de tensión [7]. III. P ROCEDIMIENTO A. El MOSFET como un Switch “Modelo S” Para el estudio del transistor MOSFET como un switch, se diseñaron e implementaron algunas compuertas lógicas utilizando transistores.Se montaron los circuitos que aparecen en las Figuras11, 12 y 13.

Para el montaje de estas compuertas se utilizo el circuito integrado CD4007, que incluye varios transistores MOSFET de Enriquecimiento de canal N y P. El valor de la resistencia no es determinante y no alterara nuestro resultados, pero hay que tener en cuenta que no puede ser demasiado bajo debido a que la corriente que circule por el transistor puede ser muy alta y podr´ıa dañarlo. Por medio de estos circuitos,comprobaremos el funcionamiento del transistor MOSFET como switch y mediante la medición directa comprobaremos los valores reales que componen la función de transferencia del transistor, como los son el VOL , VOH , VIL , VIH . El LED nos ayudara a determinar si el circuito funciona correctamente o no.

B. El MOSFET en la Región Triodo (Modelo SR) Por medio del circuito de la Figura 11, se comprobara el funcionamiento del transistor en su zona de no saturación o zona triodo y se medirán la tensión de umbral, y las resistencia de corte y de saturación del transistor (RON y ROF F ).

C. El MOSFET como Fuente de Corriente (Modelo SCS Switch Current Source)

Fig. 11.

Compuerta NOT

Se implemento el circuito de la Figura 14 para el posterior análisis de la curva caracter´ıstica del transistor y de algunos parámetros importantes del mismo.


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• •

Fig. 14. Circuito para el Análisis de la Curva ID − VD S para el Transistor MOSFET

VOH = 4,93 V y VOL = 1,95 V VIH = 1,4 V y VIL = 1,3 V

Comparando estos datos con el datasheet, encontramos que son valores distintos debido a que en los datasheet aparecen los valores máximos y m´ınimos que se tienen para cada tensión. En el laboratorio no se trabajaron en condiciones extremas por lo tanto no se hallaron los topes si no valores que se encuentran dentro del rango de variación. De acuerdo a estos valores obtenidos, la función de transferencia de la Compuerta NOT usando un transistor MOSFET seria la grafica de la Figura 16

Por medio de este circuito y utilizando un osciloscopio se obtuvo las curva caracter´ıstica del transistor y mediante su análisis se determinaron la constante caracter´ıstica del transistor (Kn0 (W/L)), la tensión de umbral (VT ), y la Resistencia Lineal del transistor para un valor espec´ıfico de VDS . ´ IV. A N ALISIS DE R ESULTADOS A. El MOSFET como un Switch “Modelo S” Para encontrar la función de transferencia del transistor MOSFET, se utilizo el circuito inversor (compuerta NOT). En simulación se obtuvo el siguiente comportamiento para el circuito: Fig. 16.

Curva de Transferencia de un Inversor MOSFET

Para comprobar el funcionamiento del transistor MOSFET como switch se analizaron los circuitos de Compuertas AND (Figura 12)y NOR (Figura 13) también y se obtuvieron los siguientes resultados en el laboratorio: Para la compuerta AND:

Fig. 15.

Simulación Compuerta NOT Tabla II DATOS O BTENIDOS PARA LA C OMPUERTA AND

En el laboratorio se obtuvieron los siguientes resultados:

Para este caso se puede determinar que los valores VOL , VOH , VIL , VIH , teniendo en cuenta que la tensión VCC es de 10V. Tabla I DATOS O BTENIDOS PARA LA C OMPUERTA NOT

• • •

Para este caso se puede determinar que los valores VOL , VOH , VIL , VIH , teniendo en cuenta que la tensión VCC es de 5V.

VOH = 9.96 V y VOL = 1,76 V VILA = 8,3 V y VIH A = 8,4 V VILB = 8,4 V y VIH B = 8,5 V

y se obtuvieron los siguientes resultados en las simulaciones:


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Para este caso se puede determinar que los valores VOL , VOH , VIL , VIH , teniendo en cuenta que la tensión VCC es de 10V. • VOH = 9,95 V y VOL = 1,85 V • VILA = 8,2 V y VIH A = 8,3 V • VILB = 8,1 V y VIH B = 8,2 V y se obtuvieron los siguientes resultados en las simulaciones:

Fig. 18.

Simulación Compuerta NOR

Es importante aclarar que estos se resultados se obtuvieron de acuerdo al comportamiento del LED que se utilizo para verificar el funcionamiento, es decir, el 0 lógico se tiene para el LED apagado, y el 1 lógico se tiene para el LED prendido. B. El MOSFET en la Región Triodo Modelo SR

Fig. 17.

Simulación Compuerta AND

Para la compuerta NOR:

Los resultados obtenidos en la medición de RON y de ROF F son los siguientes: • ROF F = 3,8 MΩ • RON = 113 Ω Para medir las resistencia RON del transistor, fue necesario colocar una carga, un LED que nos permitiera corroborar que ya se hab´ıa creado el canal y que hab´ıa circulación de corriente entre la drain y la source; y medir la corriente y la tensión en la carga, debido a que si mediamos directamente con el ohmetro, el resultado obtenido no hubiera sido adecuado. Con los datos de VL e IL , calculamos ROn : ROn =

VL 1.7V = = 113Ω IL 15mA

C. El MOSFET como Fuente SCS(Switch Current Source)

Tabla III DATOS O BTENIDOS PARA LA C OMPUERTA NOR

de

Corriente

Modelo

Para obtener la curva ID −VDS se midió con los dos canales del osciloscopio, los puntos del circuito que corresponden al VD y la resistencia sensora de 100Ω en el canal 1 y 2 respectivamente; y se ubico la perilla de graduación del tiempo en la opción X-Y del osciloscopio, para as´ı ver el comportamiento en el MOSFET cuando este es alimentado con una tensión VGS variable y se obtuvo la gráfica de la Figura 19.


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Fig. 23.

Fig. 19. Curva ID − VD S para el Transistor MOSFET obtenida en el Osciloscopio

En las simulaciones obtuvimos los siguientes resultados:

Curva ID − VD S en Simulación para el potenciómetro en 9K

Al medir la tensión VGS m´ınima para la cual empezaba a circular corriente entre drain y source, obtuvimos que VT =1.5 V. Para calcular la constante kn0 (L/W ) es necesario medir la corriente IDS para un determinado valor de VGS , asegurándonos de que el transistor se encuentre en su zona de saturación (VGS > VT ). Para VGS =10V , y utilizando la ecuación 1, tenemos que: KT = KT =

ID (VGS − VT )2

20.3mA = 0.28mA/V 2 (10V − 1.5V )2

Como, KT = Fig. 20.

Curva ID − VD S en Simulación para el potenciómetro en 0.5K

1 W (µn ∗ Cox )( ) ∧ (µn ∗ Cox ) = kn0 2 L

Tenemos que: W ) = 0.56mA/V 2 L Para encontrar el valor de RDS para un valor espec´ıfico de VDS , tomamos VDS = VT + 1=2.5V, y para un VDS =10V medimos la corriente que circula entre Drain y Source y obtenemos que IDS =10.15mA. Con estos datos tenemos que: kn0 ∗ (

VDS 2.5V = = 246.3Ω IDS 10.15mA Es importante aclarar que la posición (el cuadrante) en el que se encuentran las gráficas caracter´ısticas depende de la posición de las sondas del osciloscopio. Ademas el circuito presentaba fallas debido a que era poco estable y con facilidad se distorsionaban o perdian las señales. Por sta razon no se pudo corregir la posición de la onda. RDS =

Fig. 21.


V. C ONCLUSIONES •

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•

Fig. 22.


Un transistor MOSFET, nos permite controlar la cantidad de corriente que circula entre Drain y Source (ID ), mediante la tensión que hay entre Gate y Source (VGS ), la cual cumple la función de modulación del canal. Un transistor MOSFET divide su funcionamiento en 3 zonas de trabajo: Zona de Corte, Zona Triodo o de no saturación, y Zona de Saturación. También existe la Zona de Ruptura que indica los topes máximos de corriente y tensión que puede soportar el transistor in dañarse. Un transistor en al Zona de Corte no permite el paso de corriente entre Drain y Source, debido a que la la


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tensión VGS no ha superado la tensión de umbral (VT ), y por lo tanto no se ha creado el canal. En este estado puede ser utilizado como un switch abierto, debido a que entre Drain y Source no se permite el paso de corriente. Un transistor en su zona Triodo o de no saturación, permite el paso de corriente entre Drain y Source, pero esta depende no solo de la tensión VGS , sino que también depende de la tensión VDS . En esta zona el transistor tiene un comportamiento aproximadamente lineal. Un transistor en su zona de Saturación, permite el paso de corriente entre Drain y Source y esta solo depende de la tensión VGS , debido a que ya se ha superado la tensión VD Sat . En esta zona la corriente se mantendrá constante y sera mayor o menor de acuerdo a la magnitud de la tensión VGS . Por esta razón un transistor MOSFET puede ser considerado como una fuente de corriente controlada. Un transistor puede ser utilizado como un switch, debido a su propiedad de impedir el paso de corriente entre Drain y Source cuando este se encuentra en su zona de corte (switch en circuito abierto), y de permitirlo cuando se este se encuentra en su zona de saturación (switch en cortocircuito). Una compuerta lógica, nos permite obtener una función lógica en su salida de acuerdo a las diferentes combinaciones de las señales de sus entradas. Los transistores MOSFET son usados como switches en el diseño y fabricación de las diferentes compuertas lógicas. Existen algunos parámetros de los transistores que son u´ nicos para cada transistor y que nos determinan su comportamiento, como su constante caracter´ıstica (kń (W/L), y las tensiones máximas y m´ınimas de entrada y salida. R EFERENCIAS

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Informe 6

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