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Informe 6. El transistor MOSFET: Caracterizacion o´ n y aplicaciones b´ basicas a´ sicas Pedro Alejandro Vanegas, Andr´ Andr es e´ s Esteban Sierra S anchez, a´ nchez, Oscar Eduardo Serrano, Jorge Andr es e´ s Hern´ Hernandez a´ ndez Vel´ elasquez a´ squez Facultad de Ingenier´ Ingenier´ıa ıa Universidad Nacional de Colombia Departamento de ingenier´ ingenier´ıa ıa el´ electrica e´ ctrica y electr´ electronica o´ nica Laboratorio de Electr´onica onica An´aloga aloga I Electr´ Electronica o´ nica An´ Analoga a´ loga 2016495- Grupo 8 20 de Octubre de 2017
informe muestra muestra las caracter´ caracter´ısticas ısticas el´ electricas e´ ctricas Resumen—Este informe del del tran transi sist stor or de efect efecto o de campo campo meta metall-´oxido-semiconductor o´ xido-semiconductor (MOSFET), y los par ametros a´ metros de los cuales depende su comportamiento adem´ ademas a´ s del calculo a´ lculo de ´ de ´estos estos (caracterizaci´ (caracterizacion o´ n del transistransistor). Tambi´ Tambien e´ n se mostrar´ mostraran a´ n algunas de sus aplicaciones b´ basicas, a´ sicas, como: transistor de potencia con un circuito de conmutaci´ conmutacion, o´ n, en el dise˜ no de compuertas y un espejo de corriente simple. En est´ a pr´ practica a´ ctica se usaron usaron solo MOSFET MOSFET de enriqu enriquecim ecimien iento to tipo tipo p o tipo n. —Transis sistor tor MOSFET MOSFET,, espejo espejo de corrient corriente, e, Palabras Clave—Tran inversor, compuerta l´ogica.
I.
´ I NTRODUCCION
El MOSFET MOSFET se ha conver convertido tido en el dispositiv dispositivo o semiconsemiconductor ductor m´as as importan importante te para el avance avance de la tecnolog tecnolog´´ıa ıa en los ultimos u´ ltimos anos, n˜ os, es usado como amplificador y conmutador, adem´ ademas a´ s de ser usado en la indust industria ria microel microelect ectrr onica o´ nica tanto tanto en configurac configuracione ioness an´ analogas a´ logas como digitale digitales. s. Su importan importancia cia en la tecnolog tecnolog´´ıa ıa actual actual es tal, que est´a presente en todos los microprocesadores de la epoca. e´ poca. En esta pr´ practica a´ ctica se obtendr an a´ n los valores de los par ametros a´ metros de los que depende la relaci on o´ n I D -V DS DS que son k y V t . Estos valores dependen del transistor, y aunque hay una variaci on o´ n proporcionada por el fabricante (por ejemplo para el BSS138 V t var´ var´ıa ıa entre 0.8V y 1.5V), es necesario conocer los valores exactos para los transistores usados. Al finaliz finalizar ar esta esta pr´ practica a´ ctica se espera espera poder distinguir distinguir las distintas tintas regiones regiones de operaci operacion o´ n del transistor y cu ales a´ les son sus caracter´ısticas ısticas en cada una de ellas. II. A.
Figura 1: Circuito de caracterizaci on o´ n de transistor BSS138.
2 I D = k · (V GS GS − V GSth GSth )
Adem´ Ademas a´ s se realizaron las simulaciones (Figura 2) con dos valores distintos de Vdd y utilizando la anterior ecuaci on o´ n se determinaron los valores te´oricos oricos de K y V GSTH G STH .
P ROCEDIMIENTO.
Caracterizaci Caracterizacion ´ del transistor.
La primera parte del laboratorio consisti o´ en caracterizar el transistor BSS138. Para lograrlo se implement´o el circuito de la Figura 1 en protoboard y se conect o´ la fuente de tensi on o´ n al nivel nivel indicado en el diagrama. diagrama. Utilizan Utilizando do un mult´ mult´ımetro ımetro se midio´ la tension ´ V DS DS en los terminales del transistor y la corriente I D , que es la corriente circulante por la resistencia R1. A partir de los valores obtenidos y usando las ecuaciones de saturaci saturaci´on o´ n del transist transistor or (ecuaci (ecuaci on o´ n (1)) se obtuvieron los valores de K y V GSth GSth .
(1)
Figura 2: Simulaci on o´ n de circuito de caracterizaci on o´ n de transistor BSS138. Obteniendo as´ as´ı los valores de k y V GSth GSth
2
k = 91, 8
mA V 2
V GSth = 1, 281V Figura 5: Funci´on de transferencia simulada para transistor BSS138 a 70 % potenci´ometro. B.
Curva caracter ´ıstica del transistor.
Empleando el montaje de la Figura 3 se obtuvo la curva caracter´ıstica del transistor BSS138. Se hizo para cuatro valores de V GS variando el potenci´o metro y se gr´afico la corriente que pasa por el transistor i d con respecto a v ds . Sin embargo, tal y como estaba propuesto el circuito, la funci o´ n de transferencia dada invertida en el eje x, por lo cual se cambiaron los terminales del canal 2 como lo muestra la Figura 4. Figura 6: Funci´on de transferencia simulada para transistor BSS138 a 55 % potenci´ometro.
Figura 3: Circuito para la funci o´ n de transferencia para transistor BSS138.
Figura 7: Funci´on de transferencia simulada para transistor BSS138 a 40 % potenci´ometro.
Figura 8: Funci´on de transferencia simulada para transistor BSS138 a 30 % potenci´ometro. Figura 4: Circuito para la funci o´ n de transferencia para transistor BSS138 modificado. C.
Ahora se ense˜nan las simulaciones de los circuitos obtenidos. Estos corresponden al potencio´ metro en 70, 55, 40 y 30 % (Figuras 5, 6, 7 y 8 respectivamente).
Circuito espejo.
La tercera parte del laboratorio consisti´o en implementar el circuito de la Figura 9. Se simul o´ con los valores mostrados en la Figura 10.
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TABLA I: Simulaci´on de variaci´on de potenci´ometro para el circuito de la Figura 9 Resistencia kΩ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Figura 9: Circuito espejo utilizando integrado CD4007.
D.
Corriente mA 1.25 1.24 1.14 1.23 1.23 1.21 1.19 1.18 1.13 1.04 0.88
Circuito inversor CMOS
La u´ ltima parte del circuito consisti o´ en conectar el generador de sen˜ ales al circuito de la Figura 12 y se ajust o´ una se˜nal cuadrada de amplitud de 5 V con frecuencia de 1 KHz.
Figura 12: Simulaci´on circuito CMOS inversor. Ahora se muestra la gr a´ fica de la se n˜ al de entrada y salida del circuito de la Figura 12
Figura 10: Simulaci o´ n del circuito espejo.
A continuaci´on se muestra la tabla y gr´afica para distintos valores (tabla I).
Figura 13: Analisis transitorio salida(azul) y entrada(roja) III. A.
R ESULTADOS.
Caracterizaci´ on del transistor.
A partir del circuito de la Figura 1 se tomaron los valores
V GS e I DS para diferentes valores de V DD , como se puede ver en la siguiente tabla TABLA II: Mediciones de V GS e I DS para diferentes valores de V DD . V DD
[V] 5 5,5 6
Figura 11: Gr´afica simulada corriente respecto a resistencia para el circuito de la figura 9.
V GS
[V] 1,177 1,170 1,183
I DS [mA]
1,23 1,10 1,36
Utilizando la ecuaci o´ n (1), establecemos un sistema de ecuaciones con dos ecuaciones para hallar k y V GSth , para eso
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solo utilizaremos los valores V GS e I DS de s´olo dos valores de V DD , estableciendo el siguiente sistema de ecuaciones
0,00123 = k · (1,177 − V GSth )2
0,00136 = k · (1,183 − V GSth )2 Obteniendo as´ı los valores de k y V GSth
k = 90, 7
mA V 2
Figura 15: Funcio´ n de transferencia para transistor BSS138 a 55 % potenci´ometro.
V GSth = 1, 06V
B.
Curva caracter´ıstica del transistor
Se aplic´o una sen˜ al triangular en serie con un diodo al drain del MOSFET para el circuito de la Figura 3. El diodo en serie cumple la funci´on de quitar valores negativos a la se˜nal para que todo voltaje V DS sea positivo, tal y como lo requiere todo MOSFET tipo N de enriquecimiento para su adecuado funcionamiento. La sen˜ al debe ser alterna (podr´ıa ser senoidal) para que var´ıe el voltaje V DS y medir, con el osciloscopio, el valor de I DS para cada uno de los V DS dados por el generador de se˜nales y de esta forma obtener la curva de transferencia V DS vs I DS . Este proceso se repite para 4 diferentes voltajes V GS , el potenci´ometro del circuito es el encargado de alimentar con diferentes tensiones el GateSource. A continuaci´on se muestran los resultados (Figuras 14, 15, 16 y 17.
Figura 16: Funcio´ n de transferencia para transistor BSS138 a 40 % potenci´ometro.
Figura 17: Funci´on de transferencia para transistor BSS138 a 30 % potenci´ometro.
C.
Figura 14: Funci o´ n de transferencia para transistor BSS138 a 70 % potenci´ometro.
Fuente espejo de corriente b´ asico.
Los resultados correspondientes a esta parte del laboratorio se muestran en la tabla III que est a´ a continuacio´ n.
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TABLA III: Valores obtenidos de corriente variando el potenci´ometro para el circuito de la Figura 9 Resistencia kΩ
0,19 1,11 2,13 3,13 4,15 5,12 6,13 7,09 8,03 8,94 9,98
D.
Corriente mA 0,702 0,804 0,852 0,873 0,889 0,905 0,923 0,935 1,23 1,35 1,41
Circuito inversor CMOS.
El circuito inversor CMOS invierte la se n˜ al de entrada como se puede observar en la Figura 18. Su respectiva funci o´ n de transferencia (Figura 19) se muestra despu´es.
Figura 18: se˜nal de Salida y de entrada Circuito 4.
Figura 19: curva de transferencia Circuito CMOS. IV. A.
´ en un 1,2 %, mientras que el V GSth lo hace simulaci on en un 17,25 %. Sin embargo no se debe tomar el valor de V GSth como constante ya que este var´ıa de factores externos como la temperatura. Seg´un la hoja de datos este valor oscila entre 0,8 a 1,5 (V), teniendo su valor t´ıpico hacia el 1,3 V. Valor cercano al obtenido en la simulaci´on. Otro aspecto para analizar en el circuito de la Figura 1, es el valor de V DS , realizando el an´alisis de malla de entrada y salida, se encuentra que V DS = V GS , esto nos permitir concluir que el transistor est a´ operando en regio´ n de saturaci´on (porque V DS > V GS − V GSth ) siempre y cuando el V DD sea mayor que el V GSth .
´ A N ALISIS DE RESULTADOS
Caracterizaci´ on del transistor
Los valores obtenidos de la ecuaci o´ n 1 no son u´ nicos, ya que se tiene una ecuaci´on cuadr´atica, pero se descarta la otra pareja de resultados ya que en ella el V GSth resulta mayor que el V GS . El valor obtenido de k var´ıa del de la
B.
Caracterizaci´ on del transistor
El prop´osito que cumple la resistencia R3 en el circuito de la Figura 3 es el de representar una corriente a trav e´ s de un voltaje. Es decir, en una funci´on de transferencia (bien sea simulada u obtenida en el laboratorio) se tiene que siempre en los ejes coordenados se mide voltaje, pero como lo que se quer´ıa medir era corriente, entonces lo que se hizo fue poner una resistencia de 100 Ω y as´ı V = 100I . Es por esta raz´on que en el eje ’y’ de cada ´ se tiene que la corriente es de 0,1 cada valor simulaci on del eje (en mA). El valor de R1 es de 100kΩ, pero este no es el u´ nico posible, ya que la resistencia est a´ conectada en serie con el gate del MOSFET. La corriente (en R1) va a ser 0A debido al aislamiento de oxido-met a´ lico (abre el circuito) en el gate del transistor. En otras palabras, entre los terminales de R1 hay un voltaje de 0v por ley de ohm. Dentro del potenci o´ metro se hace un divisor de voltaje (ya que la corriente es la misma), Por ejemplo en el circuito de la Figura 3 se tiene que el potenci o´ metro est´a al 70 % entre los terminales que van a VDD y al transistor. Esto quiere decir que caer a´ un 70 % de voltaje en estos terminales y 30 % entre el que va a transistor y a tierra, Ahora se procede a la comparaci o´ n de curvas simuladas y obtenidas.
• Se analiza la simulaci´o n de la Figura 5 y la foto de la Figura 14 en las cuales el potenci ometro ´ est´a a un 70 % de su valor m´aximo. Como se ve el las figuras la regi´o n de triodo es pr´acticamente igual (una recta con pendiente constante que simboliza que el transistor se comporta como una resistencia). Para este valor el V GS = 3, 5V por el potencio´ metro. • Ahora se comparan las simulaciones de las Figuras 6 y 7 y las fotos de las Figuras 15 y 16 en las cuales el potenci´ometro est´a a un 55 y un 30% de su valor m´aximo, respectivamente. Como se aprecia, la regi´on de triodo se ve claramente, sin embargo se muestra que para un voltaje V DS existen dos corrientes. Se encontr o´ experimentalmente que para corregir este error hab´ıa que cambiar la resistencia R1 por una de peque n˜ o valor, como por ejemplo 1Ω o no conectar ninguna resistencia (hacer un corto).
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de I DQ2 cambian cuando RL supera el intervalo, no comport´andose como una fuente de corriente constante. Para establecer el intervalo de valores para R L se tienes en cuenta que los dos transistores Q 1 y Q2 se encuentran en regio´ n de saturacio´ n. Por tanto
• Por u´ ltimo se comparan las Figuras 8 y 17 en las cuales se ve que el V GS = 1, 5V (por el valor del potenci´ometro). Este valor es muy cercano al valor V GSth con lo cual el canal no se crea y se entra a zona de corte que el la l´ınea roja que est´a sobre el eje x en la simulaci o´ n. En esta zona no importa el valor de V DS dado que no hay conexi´on f´ısica entre los dos sustratos tipo N. En la regi´on de saturacio´ n la corriente I D es pr´acticamente constante cuando cambia V DS . Esto se debe a que el canal se llena o se satura, formando una especie de tri´angulo (si se ve un corte longitudinal) en el cual no importa el voltaje que se suministre, los electrones por unidad de tiempo que pasen ser a´ n casi los mismos. Haciendo una analogia se puede pensar en una manguera de agua. Si e´ sta se tapa y solo se deje un hueco muy peque˜no, no importa la presi o´ n a la cual se inyecte el l´ıquido, la cantidad de agua ser´a pr´acticamente igual. ´ momento se Si se sigue con este proceso en alg un romper´a la manguera, que es precisamente, volviendo a la electr´onica, cuando el transistor supere su potencia nominal y se da n˜ e. C.
V GSQ1 = V GSQ2 Y se tiene los mismos valores de K y V GSth , esto conlleva a que las dos corrientes, I DQ1 e I DQ12 son iguales A partir de estos datos, podemos establecer que
V DSQ 2 = V DD − I RL ∗ RL V DD − I RL ∗ RL ≥ V GSQ2 − V GSth RL ≤
V DD + V GSQ2 − V GSth I RL
(2) (3)
A partir de la ecuaci o´ n (3) hallamos el valor m a´ ximo de RL el cu´al es 7.763k Ω. El valor de RL debe permanecer en ese intervalo para que permita mantener la desigualdad de la ecuaci´on (2), ecuaci´on que nos afirma que el transistor Q2 se encuentra ´ de saturaci o´ n. en la region = V GSQ2 debido a que los dos De no ser as´ı, V GSQ1 ´ La transistores est a´ n en diferentes regiones de operaci on. transici´on del transistor Q2 a trav´es de las regiones de operaci´on depender´a del valor de RL, el cu´al analizaremos en los siguientes intervalos
Fuente espejo de corriente b´ asico
A partir de los datos registrados en la Tabla III, se realiza la siguiente gr´afica R L vs I DQ1 para ser comparada con la gr´afica obtenida a partir del programa de simulaci o´ n de la Figura 11
• 0 ≤ RL ≤ RLmax : en este intervalo de RL , el transistor esta en regi o´ n de saturaci´o n ya que se cumple la desigualdad de la ecuaci´on (2) hasta que RL llegue al valor m a´ ximo donde V DSQ 2 = V GSQ2 − V GSth . • RLmax ≤ RL ≤ ∠: en este intervalo, el valor de V DSQ 2 es menor que V GSQ2 − V GSth , operando en la regi´o n de triodo u o´ hmica. Estando el transistor en esta regi o´ n, el circuito no se comporta como una fuente de corriente. D.
Figura 20: gr´afica de corriente respecto a resistencia para el circuito de la figura 9. Tanto en la gr´afica simulada como la gr´afica experimental encontramos un intervalo donde I DQ2 es aproximadamente 1mA. La principal diferencia que encontramos est a´ donde I DQ2 deja de ser constante en valores para RL fuera del intervalo mencionado. A pesar de los cambios de valor de RL dentro de un intervalo menor al elegido en la guia ( RLmin = R Ref /10 y RLmax = R Ref ∗ 1,5) la corriente I DQ2 no var´ıa debido a que esta corriente no es controlada por esta resistencia, sino a R Ref . Este circuito es una fuente de corriente con carga variable R L . Esta carga variable est a´ en el intervalo para cumpla con este modo de operaci o´ n. Los valores
Circuito Inversor CMOS
El nodo de salida V out queda conectado al nodo de alimentaci o´ n V DD a trav´e s del transistor P y queda conectado al nodo de la tierra a trav´es del transistor N , controlados por la entrada V in a la compuerta l´ogica. Los transistores P y N est a´ n conectados de manera que , cuando el valor de entrada corresponde a 1 de la funci´on,el transistor P se pone en conducci o´ n permitiendo el paso de corriente Como se puede ver en la funci o´ n de transferencia del circuito (Figura19) solo hay dos puntos marcados. Estos puntos corresponden a (-5,5) y (5,-5) que son justamente los valores picos de las ondas cuadradas. Con esta funci´on de transferencia se puede analizar que el ejercicio qued´o bien realizado puesto que si no fuera as´ı estos puntos estar´ıan corridos.
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El condensador se comporta como cortocircuito para corriente alterna con alta frecuencia y circuito abierto para corriente continua esto hace que se los utilice para desacoplar sen˜ ales de CA V.
C ONCLUSIONES
Para calcular los valores de V GSth y de K se deben tomar varias parejas de I D y V GS . Estos deben ser lo m´as exactos posibles ya que debido a un cambio m´ınimo los valores de dichas constantes se modifican de manera considerable ( de 1 a 20 %). Un transistor MOSFET puede trabajar en tres zonas (corte, triodo y saturaci o´ n) que se usan seg un ´ la aplicaci o´ n. Utilizar los transistores en configuraci o´ n CMOS permite desarrollar diferentes aplicaciones como compuertas l´ogicas y circuitos inversores. ˜ de salida es igual a la En el circuito de CMOS La se nal se˜nal de entrada pues posee un bajo consumo de potencia por esta raz o´ n este circuito se suele utilizar en circuitos digitales. En similitud con los diodos, los valores de caracterizaci´o n var´ıan de acuerdo al cambio de temperatura y otros factores como la fabricaci o´ n. Por eso, aunque se calcul´o u n k y u n V GSth para el transistor en la etapa de caracterizaci´on hay que tener presente que este puede variar por factores que no pueden ser controlados f a´ cilmente desde el laboratorio.
