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El transistor MOSFET: Aplicación en Circuitos Digitales y Caracterización Huertas, Daniel y Arrieta, Giovany.
[email protected] ,
[email protected] Universidad Nacional de Colombia (Sede Bogotá)
Resumen— La práctica trata de la implementación de MOSFET como interruptor para mostrar las configuraciones básicas de las compuestas lógicas, esto se logra, ya que, su implementación CMOS es fundamental para la fabricación o diseño en circuitos digitales
Índice de Términos—CMOS,NAND,OR,NOT. I. INTRODUCCIÓN El inversor CMOS sirve de forma en la cual uno de los MOSFET conduzca mientras el otro no, para una alta o baja señal de entrada esto hace que la operación inversora de una salida alta o baja dependiendo de la entrada a utilizarse, esto se logra al combinar canales tipo p con n, Las regiones de operación del MOSFET sirven para dar a entender como esta n variando sus canales al (p o n) a ciertas condiciones establecidas, en la primera parte de compuerta esta funciona en saturación al haber variación del voltaje de entrada, en la segunda al superar cierto umbral de operación, se establece una región, de tríodo en la cual su operación se da pero para pequeñas señales
II. MARCO TEÓRICO Mosfet: Es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales, aunque el transistor de unión bipolar fue mucho más popular en otro tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET. El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados fuente (S, Source), drenador (D, Drain), puerta (G, Gate) y sustrato (B, Body). Sin embargo, el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal de fuente y por este motivo se pueden encontrar dispositivos MOSFET de tres terminales. Ventajas del Transistor Mosfet: La principal ventaja del transistor MOSFET es que utiliza baja potencia para llevar a cabo su propósito y la disipación de la energía en términos de pérdida es muy pequeña, lo que hace que sea un componente importante en los modernos ordenadores y dispositivos electrónicos como los teléfonos
2 celulares, relojes digitales, pequeños juguetes de robot y calculadoras. ¿Cómo funciona un Transistor Mosfet? El Mosfet controla el paso de la corriente entre una entrada o terminal llamado fuente sumidero (source) y una salida o terminal llamado drenador (drain), mediante la aplicación de una tensión (con un valor mínimo llamada tensión umbral) en el terminal llamado puerta (gate). Es un interruptor controlado por tensión. Al aplicar tensión conduce y cuando no hay tensión en la puerta no conduce. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente. El movimiento de carga se produce exclusivamente por la existencia de campos eléctricos en el interior del dispositivo. MOSFET de empobrecimiento: Para que un transistor de efecto de campo funcione no es necesario suministrar corriente al terminar d puerta o graduador. Teniendo en cuenta esto, se puede aislar totalmente la estructura de la puerta de la del canal. Con esta disposición se consigue eliminar prácticamente la corriente de fuga que aparecía n dicho terminal en los terminales JFET.
Modos de operación: El funcionamiento de un transistor MOSFET se puede dividir en tres diferentes regiones de operación, dependiendo de las tensiones en sus terminales. En la presente discusión se utiliza un modelo ?algebraico que es válido para las tecnologías básicas antiguas, y se incluye aquí con fines didácticos. En los MOSFET
modernos se requieren modelos computacionales que exhiben un comportamiento mucho más complejo. Corte: Cuando VGS < Vth Vth es la tensión de umbral del transistor De acuerdo con el modelo básico del transistor, en esta región el dispositivo se encuentra apagado. No hay conducción entre la fuente y el drenador, de modo que el MOSFET se comporta como un interruptor abierto. Un modelo más exacto considera el efecto de la energía térmica descrita por la distribución de Boltzmann para las energías de los electrones, en donde se permite que los electrones con alta energía presentes en la fuente ingresen al canal y fluyan hacia el drenador. Esto ocasiona una corriente sub umbral, que es una función exponencial de la tensión entre puerta-fuente. La corriente sub umbral sigue aproximadamente la siguiente ecuación: ID=IDO e
VGS−Vt h nVT
Donde ID0 es la corriente que existe cuando VGS = Vth, VT = kT/q es el voltaje térmico, n = 1 + CD/COX Donde CD es la capacidad de la región de agotamiento, y
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COX es la capacidad de la capa de óxido
Saturación o activa Cuando VGS > Vth y VDS > ( VGS – Vth )
Región lineal u óhmica: Cuando VGS > Vth y VDS < ( VGS – Vth ) Al polarizarse la puerta con una tensión mayor que la tensión de umbral, se crea una región de agotamiento en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (huecos en PMOS, electrones en NMOS) en la región de agotamiento, que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre drenador y fuente dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta. La corriente que entra por el drenador y sale por la fuente es modelada por medio de la ecuación:
Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente que entra por el drenador y sale por la fuente no se interrumpe, ya que es debida al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales. En esta región la corriente de drenador se modela con la siguiente ecuación: ID :
µnCox W (VGS−Vth)2 (1+ λ (V −VDsat )) 2 L
MÉTODO EXPERIMENTAL A. Cálculos
W VDS 2 ( VGS−Vth ) VD− L 2 Previo al día de la práctica, se debió realizar el análisis para identificar la salida de dos circuitos ante una posible entrada (Tablas de verdad) Donde µn es la movilidad considerando que el Switch “S” se comporta como un circuito abierto (OC) cuando la señal efectiva de los portadores de carga, de control es cero y como un circuito cerrado COX es la capacidad del óxido (SC) en caso contrario. por unidad de área, A continuación se presenta el circuito con su W es el ancho de la puerta, respectiva Tabla de la verdad, además del L es la longitud de la puerta. nombre de la compuerta correspondiente encontrada: ID :µnCOX
(
)
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Posteriormente, se procede a encontrar la compuerta correspondiente a la tabla de verdad propuesta en la guía de laboratorio (Tabla 1.3.), encontrando que corresponde a una compuerta NAND. A continuación se ve la tabla de la verdad y el circuito correspondiente. Tabla 1.3. Tabla de la verdad (Fig. 3) Figura 1. Circuito digital (Compuerta NOT). Tomado de [1]
A 1 1 0 0
Compuerta NAND B 1 0 1 0
C 0 1 1 1
Tabla 1.1. Tabla de la verdad (Fig. 1)
Compuerta NOT A 0 1
B 1 0
Ahora para el segundo circuito obtuvimos:
Figura 3. Circuito digital (Compuerta NAND).
Figura 2. Circuito digital (Compuerta NOR). Tomado de [1]
Tabla 1.2. Tabla de la verdad (Fig. 2)
A 1 1 0 0
Compuerta NOR B 1 0 1 0
C 0 0 0 1
Con los circuitos realizados anteriormente se formaron 2 compuertas diferentes: una compuerta OR y una AND, cuyas tablas de la verdad y circuitos correspondientes se muestran a continuación: Tabla 1.4. Tabla de la verdad (Fig. 4)
A 1 1 0
Compuerta AND B 1 0 1
C 1 0 0
5 0
0
0
Previo al día de la práctica también se procedió a simular cada uno de los circuitos, con el propósito de observar un comportamiento predispuesto a la correspondiente tabla de la verdad para cada uno de ellos, para lo cual, se puso como tensión de entrada una señal triangular, para observar de mejor manera los cambios en la tensión de salida. Además, también se simuló el circuito que tiene el objetivo de determinar la curva característica I D vs V DS :
Figura 4. Circuito digital (Compuerta AND).
Compuerta NOT
Tabla 1.5. Tabla de la verdad (Fig. 5)
A 1 1 0 0
Compuerta OR B 1 0 1 0
C 1 1 1 0
Figura 6. Simulación del circuito digital (compuerta NOT).
Compuerta NOR
Figura 7. Simulación del circuito digital (compuerta NOR). Figura 5. Circuito digital (Compuerta OR).
B. Simulaciones
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Compuerta NAND
Curva característica
I D vs V DS
Figura 8. Simulación del circuito digital (compuerta NAND).
Compuerta AND
Figura 9. Simulación del circuito digital (compuerta AND).
Figura 11. Curva característica
Compuerta OR
I D vs V DS
C. Instrumentos y Equipos Utilizados
Figura 10. Simulación del circuito digital (compuerta OR).
1 osciloscopio de 2 canales 2 multímetro digitales. 1 Fuente Dual 3 sondas 1 generador de señales Conectores caimán – caimán, y banana – caimán. Varios transistores TC4007 Potenciómetro 10KΩ.
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Resistencias correspondientes. Diodo 1n4004 D. Desarrollo de la Práctica
El MOSFET como un Switch “Modelo S”
Para esta parte de la práctica se montaron cada uno de los circuitos digitales con transistores MOSFET cumpliendo la función del Switch, descritos anteriormente, con el propósito de comprobar su funcionamiento. Del mismo modo se verificaron los valores de V OL - V OH - V IL - V IH para el
Por último, se hizo el montaje correspondiente (Fig. 11), donde con el osciloscopios de obtuvo la gráfica I D vs V DS . Luego, se midió el voltaje de umbral ( V t ), variando el voltaje Gate hasta el punto en el cual la corriente recién comienza a fluir en el terminal Drain del transistor. Posteriormente, se encontró Encuentre k’ηW/L a partir de una de las curvas de la región de saturación. Para terminar, con el objetivo de entrar a la región de tríodo, se disminuyó la amplitud del voltaje V DS , para el posterior hallazgo de la resistencia lineal V DS
R DS
para cualquier valor de
inversor montado, además de graficar analíticamente su correspondiente función de transferencia. III.
El MOSFET en la región tríodo “Modelo SR”
Para esta parte de la prácticamente, nuevamente con el montaje correspondiente al inversor MOSFET, se obtuvieron los valores de RON y ROFF
para el transistor con el que se trabajó.
Luego, se comprobó el funcionamiento del MOSFET en la región del tríodo.
RESULTADOS
A. El MOSFET como un Switch “Modelo S”
En primer lugar, se comprobó el funcionamiento de cada uno de los circuitos, y a continuación se midieron los voltajes V OL , V OH , V IL y V IH , para el montaje del inversor con ayuda del osciloscopio y nos damos cuenta de que los resultados son muy parecidos a los de la hoja de datos del dispositivo.
El MOSFET como fuente de corriente ”Modelo SCS” (Switch Current Source) Tabla 2.1. Mediciones de voltajes del dispositivo
V OL
0.3 V
8
V OH
2.9 V
V IL
0.8 V
V IH
2.8 V
Figura 13.
V i y V O del inversor en el simulador
B. El MOSFET en la región tríodo “Modelo SR” Luego, se procede a graficar analíticamente la función de transferencia del MOSFET inversor, obteniendo lo siguiente:
Con la ayuda de la función de transferencia del circuito inversor MOSFET, y alimentando el Función de Transferencia del inversor circuito inversor con una señal triangular de 5V de amplitud y 5V de offset, y con un potenciómetro de 1MΩ, se procedió a observar Vout en el osciloscopio la resistencia de encendido y 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 de apagado del circuito montado, Además de observar su comportamiento en la región de V in tríodo. Tabla 2.2. Mediciones de Figura 12. Función de transferencia del inversor MOSFET.
A continuación se adjunta, la función de transferencia obtenida en el simulador, con una resistencia de 100 Ω, que corresponde a una gráfica más real, que la gráfica anterior (Fig. 12) que corresponde a una función de transferencia ideal de una compuerta NOT.
RON
y
ROFF del
inversor.
RON
30 Ω
ROFF
0.9 MΩ
.
C. El MOSFET como fuente de corriente “Modelo SCS” (Switch Current Source)
En primer lugar se procedió a visualizar en el osciloscopio el circuito propuesto en la guía de laboratorio, con el propósito de visualizar I D vs V DS (Fig. 14) Luego, variando el potenciómetro, se observó como la curva, aumentaba su altura, como se esperaba previamente, a partir de la teoría (Fig. 15).
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15) en la que V DS = 1,35V y ya que V S
V GS
= 2,6V y
= 0V entonces:
V DS >V GS−V t → Transistor en saturación
Por lo que tenemos: Figura 14.
I D vs V DS en el osciloscopio
1 W I D = k ’ η (V G S−V t )2 2 L
Como tenemos una resistencia 100Ω:
V R 100=0.015V → I D=
Figura 15.
I D vs V DS en el osciloscopio
Luego, con el objetivo de hallar
V t , se varió
la resistencia de gate desde cero, y aumentándola hasta el punto en el que en el osciloscopio se observa que empieza a aumentar la corriente, esto se da cuando V GS = 2,03V así que
Igualando con la ecuación correspondiente, tenemos: 1 W 0.015= k ’ η (2.6−2)2 2 L
Finalmente, despejando tenemos:
Vt
≈ 2V, siguiendo la teoría que dice que el MOSFET conduce cuando V GS = Vt . Posteriormente, para caracterizar el transistor Para caracterizar el transistor es necesario saber el valor de: k’ηW/L, a partir de la gráfica (Fig.
0.015 =0.15 mA 100
k ’η
W mA =0.83 2 L V
Por último, para la culminación de la práctica, se encontró la resistencia lineal R D S para un valor específico de
V D S , entrando a la región
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del tríodo, disminuyendo el voltaje
V D S , por
lo que tenemos que para que el transistor entre a esta región debe cumplirse que: V D S
V GS
= 7V y midiendo con el multímetro se encontró que V D S = 0,052V datos que cumplen la condición, además se rectifica que lo observado en el osciloscopio sea una recta, ya que en esta región la corriente aumenta linealmente hasta llegar a la saturación. Para hallar la resistencia de dren, se encuentra la pendiente de la gráfica tomando dos puntos arbitrarios:
transistor como switch, para cada uno de los circuitos, corroborando el cumplimiento de la tabla de la verdad para cada uno de ellos. Para la tabla 2.1. Tenemos unos valores bastante cercanos, a los suministrados por el fabricante, a través de la hoja de datos, además de ubicarse en la posición esperada en la función de transferencia, graficada analíticamente y la realizada a través de la simulación, corroborando de esta manera el correcto funcionamiento del circuito. Además, se observa la diferencia entre lo ideal y el funcionamiento real para el inversor MOSFET, a través de las dos funciones de transferencia.
P1 = (500,140) mV P2 = (250,50) mV Por lo que la resistencia lineal será: RDS=
B. El MOSFET en la región tríodo “Modelo SR”
(500−250) =0.36 Ω (140−50)
Se aumenta el valor del voltaje de gate hasta llegar a la región de tríodo, cuando dicho voltaje es mayor a 2V, para este punto se midió el voltaje de dren-Source, el cual es igual a 2,304V = V t + 0,304V.
IV.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
A. El MOSFET como un Switch “Modelo S”
En primer lugar, se pudo observar en el osciloscopio el correcto funcionamiento del
Nuevamente, como en la configuración anterior, se observa una ligera variación en los parámetros calculados a través de la simulación, y en los parámetros medidos experimentalmente (Tabla 2.2.), presuntamente, debido a la tolerancia de las resistencias y quipos de medición, además del uso de la tolerancia correspondiente de la resistencia utilizada. El comportamiento en la región de tríodo también se puede analizar de la gráfica del V O v s V ¿ , y se puede circuito inversor, reconocer al ver el comportamiento lineal de la gráfica. Después que salga de este comportamiento lineal entra en saturación, y empieza a haber una corriente prácticamente constante.
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Preguntas sugeridas. C. El MOSFET como fuente de corriente “Modelo SCS” (Switch Current Source) En primer lugar, para las gráficas obtenidas en el osciloscopio de I D vs V DS (Fig. 14 y Fig. 15), se puede observar que la pendiente no es cero, como nos indica la teoría, sino que posee un valor bastante pequeño. Además, de corroborar la función del potenciómetro en el montaje, al modificar la curva obtenida, al variar V GS en el circuito, además de corroborar lo visto en la simulación. Para la segunda parte, nuevamente se ve la importancia del potenciómetro en el montaje, al variar el voltaje de gate, con el propósito de hallar el voltaje de umbral aumentando la resistencia hasta el punto en el que en el osciloscopio se observa que empieza a aumentar la corriente, obteniendo V t ≈ 2V, al tener en cuenta que teóricamente se dice que el MOSFET conduce cuando V GS = V t , por lo que tener este parámetro claro, fue clave para poder terminar esta parte de la práctica. Para la tercera y cuarta parte de la práctica, se ve la importancia del osciloscopio, al basarnos es su imagen para el desarrollo de los cálculos correspondientes, donde al tener, un osciloscopio digital la medición de cada uno de los puntos de la gráfica, se ve facilitada enormemente, obteniendo una mayor precisión en los datos tomados, y a su vez, teniendo en cuenta la propagación del error, en lo cálculos y resultados obtenidos.
1. Analice el circuito Inversor MOSFET de la sección anterior incluyendo el valor de las resistencias RON =¿ 40Ω y ROFF=¿ 5MΩ del transistor, ¿Cómo cambia la curva V DS
ID /
con respecto a la suposición del
MOSFET como circuito abierto o corto? R=/ Al variar el
RON
y el
ROFF del
transistor, por 40 ohmios y 5 mega ohmios, por supuesto, la curva I D contra V DS va a variar, porque la resistencia de encendido y de apagado tienen influencia sobre estas.
Así que dependiendo del transistor que se utilice, variarían las respectivas curvas.
2. ¿Qué función cumple la fuente triangular? ¿Se puede cambiar por otra forma de Onda? R=/ La fuente debe ser triangular para que el voltaje y la corriente aumenten linealmente, y así se pueda ver en la gráfica un barrido uniforme.
3. ¿Qué hace el diodo en este circuito? R=/ La función del diodo es no dejar circular corrientes negativas, y que el dren tome valores negativos de la fuente triangular.
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4. ¿Se puede Calcular V DS
e
I D a partir de
las mediciones? R=/ Si se puede, poniendo el canal uno del osciloscopio en el dren para medir el voltaje en este, el cual es igual al V DS , ya que el voltaje de source es cero, y el canal dos se usa con la intención de poder conocer la corriente I D que circula por el circuito, haciendo un pequeño calculo en la resistencia de 100Ω.
5. ¿Qué función cumple el potenciómetro en el terminal de Gate? R=/ El potenciómetro en el gate se puede ver como dos resistencias en serie, a medida que aumenta una disminuye la otra, esta se usa para variar el valor de V GS .
V.
CONCLUSIONES
Con los resultados obtenidos en la práctica se pudo corroborar las predicciones obtenidas a partir de las simulaciones e información teórica, ya que fue posible observar en el osciloscopio las tres etapas del transistor MOSFET tipo n de enriquecimiento, y se concluyó que el I D vs V DS comportamiento de la curva depende estrictamente del valor de V GS .
Los transistores tipo MOSFET tienen una gran cantidad de aplicaciones, una de ellas es en las compuertas lógicas ya que sus curvas y sus características permiten dar un rango amplio a las tensiones, siempre que se tenga claro la importancia del voltaje de umbral para la apertura y cierre del canal, logrando de esta manera familiarizarnos con conceptos que se verán en la asignatura de electrónica digital. El funcionamiento del circuito inversor en la región de tríodo se puede analizar cuando V DS es menor o igual el voltaje de compuerta menos el voltaje de umbral, además del comportamiento lineal. VI.
REFERENCIAS
[1] Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. El transistor MOSFET: Aplicación en Circuitos Digitales y Caracterización). Universidad Nacional, 2016.
[2]http://www.areatecnologia.com/electronica/mosfet .htl1 [3] https://es.wikipedia.org/wiki/MOSFET [4]http://rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_Ge neral/MOSFET.html
