Practica #1. Transistores JFET Electrónica Analógica II Universidad Politécnica Salesiana
Abstract — In this paper we analyze the behavior of JFET transistors to different forms of the same bias for transistor N. There will be a design for each circuit, in order to obtain a specified output of our circuit. Also we can see through the multimeter that is what happens if a specific circuit as the voltage divider will put a resistor in the output of the source. We will measures for each section of the circuit and analyze it with calculations and simulations, these comparisons will be made by means of tables where we can see if there is any variation in the results in each circuit. The sections to be analyzed are: drain current (ID), Drain-Source Voltage (VDS), Gate-Source Voltage (VGS) Circuits should be analyzed by type of transistor either P-type or N decremental Incremental having different reactions. A common problem with FET transistors is not supporting much current as they tend to destroy exceeding the saturation zone of the same, but the voltage is much easier to control than the current practice for this is to use the two types of transistors transistors JFET above. above.
I. INTRODUCCIÓN El transistor de efecto campo ( Field-Effect Transistor o FET , en inglés) es en realidad una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de potencial. La mayoría de los FET están hechos usando las técnicas de procesado de semiconductores habituales, empleando la oblea monocristalina semiconductora como la región activa o canal. La región activa de los TFT ( thin-film transistor , o transistores de película fina) es una película que se deposita sobre un sustrato (usualmente vidrio, puesto que la principalaplicación de los TFT es como pantallas de cristal líquido o LCD). [1][2][3] Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (MetalOxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-InsulatorSemiconductor FET). Es un dispositivo de tres terminales y dos junturas, creado en un material semiconductor sólido cristalino (generalmente germanio, silicio, ó arseniuro de galio) con diferentes contaminaciones, que permite regular la circulación de una corriente eléctrica mediante una corriente de control, mucho menor. [2][3] El primer transistor se creó en los laboratorios Bell (Estados Unidos de N.A.) en 1947,partiendo de una oblea de germanio, gracias a los trabajos de William Shockley, JohnBardeen, y Walter Brattain, por lo cual recibieron el premio Nobel. [1][2][3] II. OBJETIVOS
C. D.
Polarización por divisor de tensión. Polarización con fuente simétrica. III. MARCO TEÓRICO
Transistor FET: 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. El FET está compuesto de una parte de silicio tipo N, a la cual se le adicionan dos regiones con impurezas tipo P llamadas compuerta (gate) y que están unidas entre si. Ver la figura 1. [4][5] Los terminales de este tipo de transistor se llaman Drenador (drain), Fuente (source) y el tercer terminal es la compuerta (gate) que ya se conoce. La región que existe entre el drenador y la fuente y que es el camino obligado de los electrones se llama "canal". La corriente circula de Drenaje (D) a Fuente (S). Ver la figura 1. [4][5] Este tipo de transistor se polariza de manera diferente al transistor bipolar. El terminal de drenaje se polariza positivamente con respecto al terminal de fuente (Vdd) y la compuerta o gate se polariza negativamente con respecto a la fuente (-Vgg). A mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal y más difícil para la corriente pasar del terminal drenador (drain) al terminal fuente o source. La tensión -Vgg para la que el canal queda cerrado se llama "punch-off" y es diferente para cada FET. [4][5] El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y requieren que halla cambios en la corriente de base para producir cambios en la corriente de colector. El FET es controlado por tensión por tensión y los cambios en tensión de la compuerta (gate) a fuente (Vgs) modifican la región de rarefacción y causan que varíe el ancho del canal. [4][5]
Fig. 1 Junturas del transistor. El funcionamiento del transistor de efecto de campo es distinto al del BJT. En los MOSFET, la puerta no absorbe corriente en absoluto, frente a los BJT donde la corriente que atraviesa la base, pese a ser pequeña en comparación con la que circula por las otras terminales, no siempre puede ser despreciada.
Funcionamiento:
Diseñar, calcular calcular y comprobar el funcionamiento de los siguientes circuitos con transistores JFET. A. Polarización del transistor con 2 fuentes. B. Autopolarizacion. Con resistencia de Source. Los MOSFET, además, presentan un comportamiento Sin resistencia de Source. capacitivo muy acusado que hay que tener en cuenta para el
análisis y diseño de circuitos. Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son también de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente. [5][6][7] Los transistores de efecto de campo MOS son usados extensísimamente en electrónica digital, y son el componente fundamental de los circuitos integrados o chips digitales.
Fig. 5 Curva del transistor. Tensión VDS y VGS polarizado en inversa: Polarización p-n más inversa que VGS=0. Zona de transición mayor. Canal de conducción más estrecho. iD proporcional a VDS hasta un valor máximo. Comportamiento no lineal.
Fig. 2 Terminales del FET. Fig. 6 Polarización Canal n y Canal p Terminales: Puerta, Drenador y Fuente. Componente simétrico. Ver la figura 3.
Estructura y símbolo del transistor:
Zonas de funcionamiento: Zona Lineal: Para una
determinada >VTR la iD varía linealmente según se incrementa VDS hasta una Vsat. Vsat~VGS-VTR
Fig. 3 Simbología del transistor. Tensión VDS y VGS al aire: iD proporcional a VDS. Máxima iD determinada por la sección del canal n. Resistencia. Efecto campo. Canal n:
Para una determinada tensión VGS>VTR, si VDS>Vsat la iD permanece constante aunque aumente VDS.
Zona de Saturación:
Fig. 4 Polarización del FET canal n. Tensión VDS y VGS cortocircuitado: Polarización p-n inversa. Aparece zona de transición o agotamiento. Se estrecha el canal de conducción. iD proporcional a VDS hasta Zona de Corte: Para una determinada tensión VGS
En la figura 7, muestra que al aumentar el voltaje Vds (voltaje drenador - fuente), para un Vgs (voltaje de compuerta) fijo, la corriente aumenta rápidamente (se comporta como una resistencia) hasta llegar a un punto A (voltaje de estricción), desde donde la corriente se mantiene casi constante hasta llegar a un punto B (entra en la región de disrupción o ruptura), desde donde la corriente aumenta rápidamente hasta que el transistor se destruye. [6][7][8] Curva característica del FET y punto de trabaoj:
Fig. 9 Recta de carga del transistor.
Fig. 7 Curva del transistor a la salida. Si ahora se repite este gráfico para más de un voltaje de compuerta a surtidor (Vgs), se obtiene un conjunto de gráficos. Ver que Vgs es "0" voltios o es una tensión de valor negativo. Si Vds se hace cero por el transistor no circulará ninguna corriente. (ver figura 9) Para saber cuál es el valor de la corriente se utiliza la fórmula de la curva característica de transferencia del FET. [6][7][8]
Características.
Tiene una resistencia de entrada extremadamente alta (casi 100MΩ).
No tiene un voltaje de unión cuando se utiliza como conmutador (interruptor). Hasta cierto punto es inmune a la radiación. Es menos ruidoso. Puede operarse para proporcionar una mayor estabilidad térmica. [6][7][8]
Fig. 8 Curva del transistor a la salida varios voltajes. Ver gráfico de la curva característica de transferencia de un transistor FET de canal tipo N en el gráfico. La fórmula es: ID = IDSS (1 - [Vgs / Vgs (off)] ) donde: - IDSS es el valor de corriente cuando la Vgs = 0 - Vgs (off) es el voltaje cuando ya no hay paso de corriente entre drenaje y fuente (ID = 0) - Vgs es el voltaje entre entre la compuerta y la fuente para la que se desea saber ID
IV. LISTADO DE MATERIALES. -
Baceta. Resistencias (varias). Cable multipar. Transistores (Canal N ) Multimetro.
15 Resistencias. 05 ctv c/u 5 Transistores 60 ctv c/u Costo total materiales = $ 3,75 ctv.
V. DESARROLLO. Huna vez que contamos con todos los materiales y los diagramas revisados anteriormente y calibrado el osciloscopio procedemos a armar los circuitos en nuestra baceta. Verificamos los pines de nuestro transistor para armar el circuito de una manera correcta y evitar alguna complicación, podemos cerciorarnos de los pines en la imagen vista anteriormente.
Simulaciones.
Para realizar la practica primeramente se debe de tener una idea clara de lo que son los transistores, también se debe de tener conocimientos sobre sus valores y de su correcta conexión para que en la práctica no tengamos inconvenientes. Para cada circuito tenemos que medir la Corriente de drain (ID), Voltaje Drain-Source (VDS), Voltaje Gate-Source (V GS), luego proceder a verificar que los valores medidos coincidan con los valores pedidos en el cálculo, de no ser así volver a recalcular con los nuevos valores y compararlos nuevamente. El motivo del recalculo se debe a que el Vp del transistor cambia de valor debido a la temperatura u otros factores. A. Circuito 1:
Polarización con 2 Fuentes. ID
V DS
Tabla de datos.
Recta de carga. Ver Anexo I.
B. Circuito 2:
Cálculos. Datos:
Autopolinización sin resistencia de Source. VDD VDD RD
Cálculos:
1 MPF102
0
C. Circuito 3:
Cálculos.
Datos:
Autopolinización con resistencia de Source. VDD
VDD RD
Cálculos:
1 MPF102 3
2
RG
RS
0
Simulaciones.
Cálculos.
Datos:
Cálculos:
Simulaciones.
ID
V DS
Tabla de datos.
Recta de carga. Ver Anexo II.
ID
V DS
Tabla de datos.
Recta de carga. Ver Anexo III. Simulaciones.
D. Circuito 4:
Polarización por divisor de tención. VDD VDD RD R1 2
1
MPF102
3 R2
RS
0
Cálculos.
Datos:
Cálculos:
ID
Tabla de datos.
Recta de carga.
Ver Anexo IV.
V DS
E. Circuito 5:
Polarización con fuente simétrica. VDD
VDD RD
3 MPF102 0
1 RS
VSS VSS
Cálculos.
Datos:
Cálculos:
ID
V DS
Tabla de datos.
Recta de carga.
Ver Anexo V.
VI. ANÁLISIS. Simulaciones.
En el desarrollo de esta práctica se trató de obtener los valores calculados ya sea de voltaje como de los elementos mismos del circuito, por lo que se trató de aproximar el valor calculado al valor comercial de resistencias, algunos resultados variaron no de forma considerable pero, si con un rango notable. Los análisis de circuitos armados, a trabes de Cálculos Matemáticos, Práctica y simulaciones. Podemos Observar que existe un rango de diferencia entre el Cálculo, las Mediciones y la Simulación, esto está ligado a los siguientes parámetros. Valores de resistencias aproximados, aparatos de mediciones con errores, etc.
Al tratar de resolver los circuitos con el transistor FET tuvimos que valernos de resoluciones de ecuaciones para tratar de resolverlos, así como también la imposición de algunos datos para facilitar los cálculos. Los parámetros fueron tomados de la guía de uso que viene con el FET y tuvimos que tomar esos datos de los rangos indicados. También cabe decir que si el punto de trabajo debe estar a la mitad el valor de VDS debe ser VDD/2, para trabajar a la mitad de la recta de carga. VII. CONCLUSIONES. Realizando la investigación para la introducción al transistor observamos que el transistor puede actuar como interruptores cerrados y abiertos debido en la zona de trabajo del transistor, estos cumplen funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador, esto se da en la zona lineal del transistor Los transistores FET, son transistores controlados por voltaje para variación de corriente, aunque uno de sus principal les problemas es que no manejan altas corrientes es más sencillo controlarlos por voltaje ya que se puede saber fácilmente las caídas de tensión de los mismos, según las resistencias que se utilicen esto a través de la ley de ohm. Se puede observar que la curva característica del FET es muy parecida a la del BJT. Puedo decir que para que las mediciones de la practica sean aceptables y tengan el menor número de errores en las mismas con respecto a los cálculos tuvimos que ajustar las resistencias lo más posible a los cálculos teniendo en algunos casos que poner las resistencias en serie o en paralelo ya que los valores de las mismas si se alejaban mucho cambian los valores de corriente y voltaje a rangos que no son aceptables, es decir que para el transistor FET funcione correctamente las resistencias deben ser las más exactas posibles. Los valores de los JFET pueden ser diferentes aunque sean del mismo tipo por lo que primero tuvimos que obtener los valores reales de Vp y de IDSS. Para medir el Vp y el IDSS utilizamos la polarización fija, conectamos un voltímetro para medir el VGS y un amperímetro para medir la corriente ID, entonces variamos el voltaje VGS con la fuente VGG hasta que sea cero y obtenemos el valor de IDSS del amperímetro y para medir el valor Vp variamos la fuente Vcc hasta que sea cero, es decir, cuando la corriente ID=0 y obtenemos nuestro voltaje Vp del voltímetro. Siempre debemos tener en cuenta que algunos factores influyen bastante en los cálculos y las mediciones para los circuitos con transistores. ____________________________________
Doing research for the introduction to see that the transistor transistor can act as switches open and closed in the area because of transistor, these functions satisfy amplifier, oscillator, switch, or rectifier, this occurs in the linear region of the transistor FET transistors are voltage controlled transistor current variation, but one of its main problems is that they do not handle high currents is voltage-control easier since you can easily know the voltage drops of the same, as the resistance that are used by Ohm's law. One can observe that the characteristic curve of the FET is very similar to the BJT. I can say that for practical measurements are acceptable and have the least number of errors in the calculations regarding had to adjust the resistance as possible to the calculations taking place in some cases that the resistors in series or in parallel since the values of the same if they strayed much change the current values and voltage ranges that are not acceptable, ie for the FET resistance function properly should be the most accurate possible. The values of the JFET can be different but the same type so we first had to obtain the actual values of Vp and IDSS. We must always keep in mind that some factors influence enough in the calculations and measurements for circuits with transistors. VIII. RECOMENDACIONES. Realizando la práctica y paralelamente con la investigación podemos establecer unas recomendaciones necesarias para la realización exitosa de la práctica: Si estando en la zona de saturación se aumenta mucho VDS se produce la ruptura del componente. Realizar la medición de los valores IDss y Vp para cada transistor a utilizar debido a que estos valores varían para cada transistor y difieren de los del datasheet. Para la medición de estos valores podemos aplicar la polarización fija explicado en las conclusiones. Imponerse valores adecuados para que no sobrepasen los valores limites del transistor es decir que no sobrepasen IDss y Vp. REFERENCIAS. [1] http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=18710463 [2] CA Ibarra, S Medina S, Á Bernal N - TE & ET, 2007 sedici.unlp.edu.ar [3] www.asifunciona.com/electrotecnia/...resistencia/ke_resi stencia_1.html [4] Robert L. Boylestad, Introducción al analisis de Circuitos, Decima Edicion, 2004 [5] http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor } [6] www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/applets/pagina_ jfet/J Fet.htm [7] http://www.ucm.es/info/electron/laboratorio/componente s/codigos/pag06-03.htm [8] http://www.av.anz.udo.edu.ve/ [9] Explicaciones realizadas por el profesor de laboratorio.
ANEXOS Rectas de Carga y Puntos de trabajo. Anexo 1
Polarización Fija.
Tabla de datos. Anexo II
Autopolinización sin Resistencia de Sourse.
Tabla de datos. Anexo III
Autopolinización con Resistencia de Sourse.
Tabla de datos.
Anexo IV
Polarización por Divisor de Tensión.
Tabla de datos.
Anexo V
Polarización con Fuente Simétrica.
Tabla de datos.
