UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Facultad de Ingeniería. Electrónica Análoga. 1

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Facultad de Ingeniería. Electrónica Análoga. 1 El transistor Mosfet: Aplicación en circuitos digitales y caracterización Boyacá. Yeison; Rosas. Jhonatan; Sierra, Michel. yaboyacac@unal.edu.co; jhfrosaspi@unal.edu.co; mfsierrat@unal.edu.co Abstract The transistor Mosfet as an electronic element presents some regions for its characterization, in the case of the circuits which were done in the practice; the Mosfet worked in two regions: linear region and saturation or active mode. There will be demonstrated that the linear region works with the linearity of Ohm's law and in the saturation mode, we will not see the change of the current because of its little variations. Along the document, you will be able to observe the function of a transistor Mosfet with the help of graphs and simulations. In this work will be observed using some circuits as: logical gates, Mosfet in linear region and current sources. Key words Current source, Logical gates, Mosfet, N-Channel Mosfet, Truth table. Palabras clave Canal tipo N, Compuertas lógicas, Fuente de corriente, Tabla de verdad, Transistor Mosfet. L I. Introducción AS compuertas lógicas es una de las aplicaciones más importantes que el transistor Mosfet nos ofrece, a través de diferentes configuraciones de transistores se pueden llegar a obtener como resultado diversas compuertas como lo son: NAND, NOR y NOT, asimismo, las variaciones que se pueden lograr con la combinación de las compuertas. Cabe resaltar que además de las compuertas lógicas el transistor Mosfet se caracterizara identificando principalmente la región del tríodo, donde se evidenciara la linealidad de la ley de Ohm; finalmente es importante destacar el funcionamiento del Mosfet en la región de saturación donde lo podemos utilizar para circuitos similares a fuentes de corriente. 1. Transistor II. Marco teórico El transistor es un componente electrónico formado por materiales semiconductores que cumple, básicamente dos funciones: Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una pequeña señal de mando, es decir, funciona como un interruptor Funciona como un amplificador de señales, toma una señal de entrada y a la salida se ve una señal mayor. Un transistor tiene 3 zonas de trabajo, que son: corte, tríodo y saturación. En la zona de corte el transistor funciona como un circuito abierto, es decir, no deja pasar corriente en ningún sentido, en la zona de tríodo, la corriente que pasa a través del transistor depende de la señal de entrada, siendo casi proporcional a esta y por último en la zona de saturación, el transistor se comporta como una fuente de corriente, es decir, independientemente de la señal de entada la corriente por el transistor será la misma. [1] Figura 1, Esquema de un transistor [2]

2 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Facultad de Ingeniería. Electrónica Análoga Mosfet El Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) su nombre se deriva de la esencia de su operación física, el Mosfet es el transistor más popular ya que en comparación con el BJT el Mosfet puede tener tamaños muy pequeños. El Mosfet de tipo de enriquecimiento es el transistor de efecto de campo más utilizado en el mundo, de enriquecimiento quiere decir que para que el transistor funcione se debe crear el canal, los terminales del MOSFET se conocen como: Gate, Drain y Source, y son los representados por la figura. canal es casi despreciable, pero a medida que aumenta V GS más electrones son atraídos hacia el canal, generando así un mayor flujo de corriente, por lo cual se genera un canal de resistencia reducida. [4] 3. Mosfet de canal tipo N La Figura 3 muestra la estructura de dos transistores MOS, tipo N y P respectivamente. El dopaje del sustrato es opuesto al tipo de portador que origina la corriente. Así, para un transistor tipo N (electrones en conducción) el dopaje del sustrato es tipo P. Mientras que en el transistor tipo P (huecos en conducción) el dopaje es tipo N. [5] Figura 2, Esquema de un MOSFET [3] Para crear el canal, se asume que se conecta el drain y el source a tierra y en el gate se aplica una tensión positiva, de esta forma podemos llamar esa tensión V GS, el voltaje positivo en el gate ocasiona que los protones sean repelidos de la región del sustrato bajo el gate (región del canal) los protones son empujados hacia abajo en el sustrato, por esta razón los electrones acumulados en el drain son atraídos por la tensión V GS hacia la región del canal, conectando así el drain con el source. Al inducirse un canal se aplica un voltaje positivo entre el Drain y el Source, V DS, este voltaje hace que circule una corriente I D por el canal n inducido, la corriente es llevada por electrones libres que se desplazan desde el source al drain, pero por convención la corriente se mueve en la dirección opuesta del movimiento de los electrones, por eso se asimila que la corriente fluye del drain al source, la magnitud de I D depende de la densidad de electrones del canal que a su vez depende de la magnitud de V GS, cuando V GS=V D la corriente que fluye por el Figura 3, Estructura física de los Mosfet tipo N y P [5] Cuando se aplica una tensión positiva al terminal de puerta de un MOSFET tipo N, se crea un campo eléctrico bajo la capa de óxido que incide perpendicularmente sobre la superficie del semiconductor. Este campo atrae a los electrones hacia la superficie bajo el óxido, repeliendo los huecos hacia el sustrato. Si el campo eléctrico es muy intenso se logra crear en dicha superficie una región muy rica en electrones, denominada canal N, que permite el paso de corriente de la fuente al drain; cuanto mayor sea la tensión de puerta mayor será el campo eléctrico y, por tanto, la carga en el canal. Una vez creado el canal, la corriente se origina aplicando una tensión en el drain positiva respecto a la de la fuente. En un MOSFET tipo P el funcionamiento es a la inversa, ya que los portadores son huecos (cargas positivas de valor el módulo de la carga del electrón). En este caso, para que exista conducción el campo eléctrico perpendicular a la superficie debe tener sentido opuesto al del MOSFET tipo N, por lo que la tensión aplicada ha de ser negativa. Ahora los huecos

3 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Facultad de Ingeniería. Electrónica Análoga. 3 son atraídos hacia la superficie bajo el óxido, y los electrones repelidos hacia el sustrato. Si la superficie es muy rica en huecos se forma el canal P. Cuanto más negativa sea la tensión de puerta mayor puede ser la corriente (más huecos en el canal P), corriente que se establece al aplicar al terminal de drain una tensión negativa respecto a la de la fuente. La corriente tiene sentido opuesto a la de un MOSFET tipo N. línea gruesa bajo la puerta, que recuerda la existencia de canal en ausencia de tensión en dicho terminal. A fin de facilitar la corriente a través de los terminales de fuente y drain, bajo ellos se generan sendas regiones con dopaje elevado, del mismo tipo que los portadores del canal (regiones N+ y P+). [5] Figura 5, Símbolos de los Mosfet N y P, de acumulación y vaciamiento [5] La capa de óxido bajo la puerta impide que haya corriente a su través (esto es estrictamente cierto en continua y bajas frecuencias, situaciones que consideraremos). Así, la corriente en el terminal de fuente, IS, coincide con la del drain, ID, por lo que basta con indicar una sola de ellas. [5] I G = 0 I D = I S Figura 4, Funcionamiento de un Mosfet tipo N de enriquecimiento [5] Si con tensión de puerta nula no existe canal el transistor se denomina de acumulación; y de vaciamiento en caso contrario. Mientras que la tensión de puerta a partir de la cual se produce canal se conoce como tensión umbral, VT. El terminal de sustrato sirve para controlar la tensión umbral del transistor, y normalmente su tensión es la misma que la de la fuente. El transistor MOS es simétrico: los terminales de fuente y drain son intercambiables entre sí. En el MOSFET tipo N el terminal de mayor tensión actúa de drain (recoge los electrones), siendo el de menor tensión en el tipo P (recoge los huecos). A modo de resumen, la Figura 4 muestra el funcionamiento de un transistor MOS tipo N de enriquecimiento. En la Figura 5 se representan los símbolos utilizados para los MOSFETs en los circuitos; también se indica el sentido de la corriente de drain. Si los transistores son de vaciamiento se traza una III. Metodología Para poder desarrollar la práctica número 7, se realizaron las debidas consultas para familiarizarse con los términos y elementos a conocer. Buscando la facilidad de llevar a término la práctica, se realizaron tanto las simulaciones como los montajes de los diferentes circuitos propuestos en la guía, además de la conexión necesaria para usar el transformador con su respectivo fusible. La práctica estaba diseñada para realizarse en tres partes, el Mosfet en modelo S, en modelo SR y en modelo SCS, consistía en las mediciones de voltaje y corriente de los circuitos montados y diseñados previamente a la clase. El desarrollo de la práctica requirió de los siguientes materiales: o 1 Osciloscopio de 2 Canales. o 1 Generador de señales con resistencia de salida de 50Ω. o 1 Multímetro digital.

4 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Facultad de Ingeniería. Electrónica Análoga. 4 o 1 Fuente DC. o 3 Sondas. o Conectores caimán- caimán. o Conectores banana-caimán. o Transistores Mosfet canal N de enriquecimiento TC4007. o Resistencias de 10Ω y 100kΩ. o Potenciómetro de 10kΩ. o Diodo 1N4004. o Led Se comenzó conectando los montajes correspondientes a las compuertas lógicas NOT, NAND y NOR comprobando que los circuitos se comportaran de acuerdo a las tablas de verdad antes consultadas, se realizó variando la tensión de alimentación de la compuerta entre 0 y 5 voltios. Asimismo con el montaje del inversor Mosfet se tomaron evidencias de los diferentes valores de tensión con los que cuenta la función de transferencia. Posteriormente con el segundo circuito (Mosfet en la región Tríodo) se realizaron medidas de corrientes y tensiones donde se evidenciaba el comportamiento lineal del transistor, para luego hallar los respectivos valores de las resistencias. Finalmente en el tercer circuito, la fuente de corriente se pudo detallar la gráfica de corriente en el drain vs la tensión entre el drain y el source, en el osciloscopio. El anterior procedimiento se realizó para 5 valores distintos de la tensión entre el gate y el source (V GS). Por último se encontraron los parámetros de funcionamiento del transistor: W, L, k ƞ, a partir de una de las curvas anteriormente encontradas. Circuito compuerta NOR: Tabla de verdad A B C A lo largo del procedimiento (mediciones) se tomaron evidencias de las salidas para demostrar que se verificaron cada uno de los montajes. IV. Circuitos Circuito compuerta NOT: Tabla de verdad A B

5 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Facultad de Ingeniería. Electrónica Análoga. 5 Circuito compuerta NAND Circuito fuente de corriente Tabla de verdad A B C V. Tablas y resultados Circuito inversor Mosfet Corresponde al mismo circuito de compuerta NOT, con la misma tabla de verdad. Según el datasheet u hoja de datos técnicos las tensiones del circuito corresponden a: V OL = 0,05 V V OH = 4,95 V V IL = 1,0 V V IH = 4,0 V Para la realización de la práctica se realizaron los respectivos montajes se evidencio que las tablas de verdad se cumplían a cabalidad, asimismo se evidencio como las compuertas realizadas cumplen con una función de entrada tipo escalón unitario ya que está variando en términos generales en encendido y apagado, o sea entre 5V (se asume como 1 en binario) y 0 (0 en binario) V respectivamente. Finalmente las diferentes compuertas lógicas nos brindan la posibilidad de formar el resto de compuertas lógicas aunque en términos prácticos no es muy conveniente puesto que el resto de compuertas ya vienen fabricadas en CI igual que las usadas para esta parte de la práctica. A través del osciloscopio se obtuvo la siguiente función de transferencia de allí se pudo obtener los valores de las respectivas tensiones: La función de transferencia que permite hallar los anteriores valores es la siguiente:

6 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Facultad de Ingeniería. Electrónica Análoga. 6 4 Mosfet región Tríodo IDS (ma) VG (V) Gráfica 1, Función de transferencia circuito inversor Mosfet Los valores para el circuito montado son: V OL = 0,1 V V OH = 4,8 V V IL = 0,9 V V IH = 3, 7 V Circuito Mosfet como fuente de corriente La gráfica de ID vs VDS se obtuvo la siguiente imagen en el osciloscopio, cabe aclarar que fue la forma general antes de ajustar el osciloscopio al eje X y Y: Al comparar los datos de la hoja técnica con los hallados se observa que existen diferencias aunque su variación no es significativa ya que estamos hablando de decimales en tensiones. Circuito región tríodo Se evidencio mediante las distintas mediciones que la resistencia ON que se debía aproximar a 40Ω alcanzo un mínimo de aproximadamente 90Ω en una tensión de 0,2V y con una corriente de 2,028mA debido a la poca exactitud que presentan los equipos de suministro (Fuentes de tensión) además de ello se evidencio que la resistencia en estado OFF la cual según requerimientos debería aproximarse a 5MΩ y su valor por la poca exactitud que nos brinda el multímetro en este caso el valor de la resistencia es de 165kΩ con una tensión de 2,4V a una corriente de 0,0147mA. Para delimitar la región de funcionamiento Tríodo del Mosfet se obtuvo la siguiente tabla, la cual nos permite halla la región: VG (V) IDS (ma) 0,2 2,0280 0,8 1,5450 1,2 1,2870 1,5 0,9860 1,8 0,7380 2,1 0,4140 2,4 0,0147 Ya ubicadas las gráficas en el eje X y Y se obtuvieron para los valores:

7 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Facultad de Ingeniería. Electrónica Análoga Voltios 7 Voltios VD VD ID (ma) ID (ma) 10 Voltios Cuando el Mosfet opera en región de saturación la corriente Id está dada por: I D = 1 2 Kn w L (V GS V t ) 2 VD Ya que se conoce I D podemos reemplazar y a partir de ello obtenemos que Kn (W/L) es aproximadamente 1.16 ma/v 2. 9 Voltios ID (ma) ID (ma) VD VI. Respuestas a las preguntas sugeridas Qué consideraciones puede hacer acerca de la función de transferencia del inversor MOSFET? La función de transferencia del Mosfet se puede asimilar a una función de escalón unitario donde se maneja un sistema binario comprendido entre 0 y 1, esta función se determinara porque 0V es 0 y 5V es 1 así que valores cercanos en más de 3V aproximadamente se puede considerar 1 en la función del escalón unitario. Finalmente se comprende que la función de transferencia es el resultado contrario de la tensión suministrada. Qué función cumple la fuente triangular? Puedo cambiarla por otra forma de onda? El cambio de tensión del Drain debe ser lo más lineal y uniforme posible por ello la fuente se utiliza con forma de onda triangular para obtener una curva característica más propia y acorde al circuito. Qué hace el diodo en el circuito? El diodo se encarga de rectificar la señal triangular AC para así obtener un valor positivo.

8 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Facultad de Ingeniería. Electrónica Análoga. 8 Dicho valor debe ser mayor al encontrado en el voltaje del terminal source para de esta manera obtener la curva característica del Mosfet de la manera más adecuada y en la región requerida para el circuito (Saturación). Puedo calcular el V DS e I D a partir de las mediciones? Las mediciones de V DS e I D se realiza mediante la medición de los dos canales, en el canal 1 se mide el voltaje en el Drain mientras que en el canal 2 se mide el voltaje sobre la resistencia de 100Ω, partiendo del hecho que la corriente se puede calcular en cualquier momento como la relación entre el voltaje en la resistencia y el voltaje en el Drain. Qué función cumple el potenciómetro en el terminal del Gate? El potenciómetro regula la tensión V GS y se varía para verificar que la corriente permanece constante en zona de saturación (del Transistor), en términos prácticos se puede inferir que el potenciómetro nos brinda la curva característica del Mosfet ya que al tener una variación y realizar mediciones como el voltaje umbral, la corriente I D además de esto nos permite conocer las condiciones con las que se realizan los diferentes cálculos del transistor Kn(W/L). VII. Conclusiones 1. Se evidencia que la curva característica del transistor Mosfet cuenta con tres regiones: Corte, cuando la tensión V GS es menor al voltaje umbral V t, de Tríodo cuando V GS es mayor que V t y la tensión drain es menor a la tensión gate y por último la zona de saturación cuando el V GS es mayor al V t y a su vez la corriente se hace independiente del voltaje entre el drain y el source. 2. Mediante el transistor Mosfet se pueden realizar circuitos que asimilen la variedad de compuertas lógicas existentes, a través, de diferentes configuraciones de los transistores. Por lo anterior se puede afirmar que la base para las compuertas y la electrónica digital es el transistor Mosfet. 3. Evidenciamos que en el transistor la zona de tríodo nos permite asimilar el comportamiento de dicho elemento como una resistencia normal, debido a que se cumple la linealidad que en el caso de la resistencia estará determinada por la ley de Ohm, para el caso del transistor aunque se observe que es lineal la relación cambia de acuerdo al tipo de transistor y características en el que se encuentre el circuito. 4. Se pudo apreciar como mediante una configuración sencilla el transistor puede llegar a ser utilizado para realizar una fuente de corriente, siempre y cuando esté en la zona de saturación para que dicho comportamiento se conserve. Cabe aclarar que aunque llega ser una fuente de corriente no es de características muy buenas respecto a otras alternativas que existen en la electrónica. VIII. Publicaciones Este informe se encuentra publicado en la página web: IX. Referencias [1] Resumen de la teoría de funcionamiento de un transistor, SDA, SFP, /EL%20TRANSISTOR.htm [2] Imagen obtenida de n/hardware3.html [3] Imagen obtenida de rs/mosfet.php [4] Resumen de la teoría del funcionamiento del MOSFET, Microelectronics Circuits, A. Sedra, K. Smith, 8th ed. Oxford. 2012, Capítulo 5. [5] Transistor Mosfet Capítulo 4, SDA, SFP, df