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8/16/2019 INFORME - N°9 a
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El transistor MOSFET: Aplicación en Circuitos Digitales y Caracterización
Huertas, Daniel y Arrieta, Giovany!r"uertasz#unale!uco , gaarrietar#unale!uco $niversi!a! %acional !e Colo&'ia (Se!e )ogot*+
Resumen -a pr*ctica trata !e lai&ple&entación !e MOSFET co&o interruptor para &ostrar las con.iguraciones '*sicas !e lasco&puestas lógicas, esto se logra, ya /ue, sui&ple&entación CMOS es .un!a&ental para la.a'ricación o !ise0o en circuitos !igitales
Índice de Términos CMOS,%A%D,O1,%OT
2 2%T1OD$CC23%El inversor CMOS sirve !e .or&a enla cual uno !e los MOSFETcon!uzca &ientras el otro no, parauna alta o 'a4a se0al !e entra!a esto"ace /ue la operación inversora !euna sali!a alta o 'a4a !epen!ien!o !ela entra!a a utilizarse, esto se logra al
co&'inar canales tipo p con n,-as regiones !e operación !elMOSFET sirven para !ar a enten!erco&o esta n varian!o sus canales al(p o n+ a ciertas con!icionesesta'leci!as, en la pri&era parte !eco&puerta esta .unciona ensaturación al "a'er variación !elvolta4e !e entra!a, en la segun!a alsuperar cierto u&'ral !e operación,se esta'lece una región, !e tr5o!o enla cual su operación se !a pero para pe/ue0as se0ales
22 MA1CO TE312COMos.et:Es un transistor utiliza!o paraa&pli.icar ocon&utar se0ales electrónicas Es eltransistor &*s utiliza!o en lain!ustria &icroelectrónica, ya sea encircuitos analógicos o !igitales,aun/ue el transistor !e unión
'ipolar .ue &uc"o &*s popular enotro tie&po 6r*ctica&ente latotali!a! !e los&icroprocesa!ores co&erciales est*n 'asa!os en transistores MOSFET
El MOSFET es un !ispositivo !e
cuatro ter&inales lla&a!os .uente (S,
Source+, !rena!or (D, Drain+, puerta
(G, Gate+ y sustrato (), )o!y+ Sine&'argo, el sustrato general&ente
est* conecta!o interna&ente al
ter&inal !e .uente y por este &otivo
se pue!en encontrar !ispositivos
MOSFET !e tres ter&inales
7enta4as !el Transistor Mos.et:-a principal venta4a !el transistorMOSFET es /ue utiliza 'a4a
potencia para llevar a ca'o su propósito y la !isipación !e laenerg5a en t8r&inos !e p8r!i!a es&uy pe/ue0a, lo /ue "ace /ue sea unco&ponente i&portante en los&o!ernos or!ena!ores y !ispositivos electrónicos co&o los tel8.onos
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]
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celulares, relo4es !igitales, pe/ue0os 4uguetes !e ro'ot y calcula!oras9Có&o .unciona un Transistor Mos.et
El Mos.et controla el paso !e la
corriente entre una entra!a o ter&inallla&a!o .uente su&i!ero (source+ y unasali!a o ter&inal lla&a!o !rena!or(!rain+, &e!iante la aplicación !e unatensión (con un valor &5ni&o lla&a!atensión u&'ral+ en el ter&inal lla&a!o puerta (gate+. Es un interruptorcontrola!o por tensión Al aplicartensión con!uce y cuan!o no "ay tensiónen la puerta no con!uceEl transistor !e e.ecto !e ca&po se
co&porta co&o un interruptorcontrola!o por tensión, !on!e el volta4eaplica!o a la puerta per&ite "acer /ue.luya o no corriente entre !rena!or y.uente El &ovi&iento !e carga se pro!uce e;clusiva&ente por lae;istencia !e ca&pos el8ctricos en elinterior !el !ispositivo
MOSFET !e e&po'reci&iento:
6ara /ue un transistor !e e.ecto !e ca&po.uncione no es necesario su&inistrar corriente alter&inar ! puerta o gra!ua!or Tenien!o encuenta esto, se pue!e aislar total&ente laestructura !e la puerta !e la !el canal Con esta!isposición se consigue eli&inar pr*ctica&entela corriente !e .uga /ue aparec5a n !ic"oter&inal en los ter&inales .uente -a corriente su'
u&'ral sigue apro;i&a!a&ente la
siguiente ecuación:
2D?2DO eVGS−Vt h
nVT
Don!e 2D@ es la corriente /ue e;istecuan!o 7GS ? 7t",
7T ? TB/ es el volta4e t8r&ico,
n ? CDBCO
Don!e CD es la capaci!a! !e la
región !e agota&iento, y
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CO es la capaci!a! !e la capa !e
ó;i!o
1egión lineal u ó"&ica:
Cuan!o 7GS 7t" y 7DS = ( 7GS
7t" +Al polarizarse la puerta con una
tensión &ayor /ue la tensión !e
u&'ral, se crea una región !e
agota&iento en la región /ue separa
la .uente y el !rena!or Si esta
tensión crece lo su.iciente,
aparecer*n porta!ores &inoritarios
("uecos en 6MOS, electrones en
%MOS+ en la región !e agota&iento,/ue !ar*n lugar a un canal !e
con!ucción El transistor pasa
entonces a esta!o !e con!ucción, !e
&o!o /ue una !i.erencia !e potencial
entre !rena!or y .uente !ar* lugar a
una corriente El transistor se
co&porta co&o una resistencia
controla!a por la tensión !e puerta
-a corriente /ue entra por el!rena!or y sale por la .uente es
&o!ela!a por &e!io !e la ecuación:
ID :µnCOX W
L ((VGS−Vth )VD−VD2Don!e µn es la &ovili!a!
e.ectiva !e los porta!ores !e carga,COX es la capaci!a! !el ó;i!o
por uni!a! !e *rea,W es el anc"o !e la puerta,
L es la longitu! !e la puerta
Saturación o activa
Cuan!o 7GS 7t" y 7DS ( 7GS
7t" +
Cuan!o la tensión entre !rena!or y
.uente supera cierto l5&ite, el canal
!e con!ucción 'a4o la puerta su.re un
estrangula&iento en las cercan5as !el
!rena!or y !esaparece -a corriente
/ue entra por el !rena!or y sale por
la .uente no se interru&pe, ya /ue es
!e'i!a al ca&po el8ctrico entre
a&'os, pero se "ace in!epen!iente
!e la !i.erencia !e potencial entre
a&'os ter&inales
En esta región la corriente !e
!rena!or se &o!ela con la siguiente
ecuación:
ID :µnCox
2
W
L (VGS−Vth)2(1+ λ (V −VDsat ))
MTODO E6E12ME%TA-
A. Cálculos
6revio al !5a !e la pr*ctica, se !e'ió realizar elan*lisis para i!enti.icar la sali!a !e !os circuitosante una posi'le entra!a (Ta'las !e ver!a!+consi!eran!o /ue el SIitc" JSK se co&porta
co&o un circuito a'ierto (OC+ cuan!o la se0al!e control es cero y co&o un circuito cerra!o(SC+ en caso contrario
A continuación se presenta el circuito con surespectiva Ta'la !e la ver!a!, a!e&*s !elno&'re !e la co&puerta correspon!ienteencontra!a:
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Figura Circuito !igital (Co&puerta %OT+ To&a!o !eL
Ta'la Ta'la !e la ver!a! (Fig +Compuerta NOT
A )@ @
A"ora para el segun!o circuito o'tuvi&os:
Figura N Circuito !igital (Co&puerta %O1+ To&a!o !eL
Ta'la N Ta'la !e la ver!a! (Fig N+Compuerta NOR
A ) C @ @ @@ @@ @
6osterior&ente, se proce!e a encontrar laco&puerta correspon!iente a la ta'la !e ver!a! propuesta en la gu5a !e la'oratorio (Ta'la +,
encontran!o /ue correspon!e a una co&puerta %A%D A continuación se ve la ta'la !e laver!a! y el circuito correspon!iente
Ta'la Ta'la !e la ver!a! (Fig +Compuerta NAND
A ) C @ @ @ @ @
Figura Circuito !igital (Co&puerta %A%D+
Con los circuitos realiza!os anterior&ente se.or&aron N co&puertas !i.erentes: unaco&puerta O1 y una A%D, cuyas ta'las !e la
ver!a! y circuitos correspon!ientes se &uestrana continuación:
Ta'la P Ta'la !e la ver!a! (Fig P+Compuerta AND
A ) C @ @@ @
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@ @ @
Figura P Circuito !igital (Co&puerta A%D+
Ta'la Q Ta'la !e la ver!a! (Fig Q+
Compuerta OR
A ) C @ @ @ @ @
Figura Q Circuito !igital (Co&puerta O1+
B. Simulaciones
6revio al !5a !e la pr*ctica ta&'i8n se proce!ióa si&ular ca!a uno !e los circuitos, con el propósito !e o'servar un co&porta&iento pre!ispuesto a la correspon!iente ta'la !e laver!a! para ca!a uno !e ellos, para lo cual, se
puso co&o tensión !e entra!a una se0altriangular, para o'servar !e &e4or &anera losca&'ios en la tensión !e sali!a
A!e&*s, ta&'i8n se si&uló el circuito /ue tieneel o'4etivo !e !eter&inar la curva caracter5stica
I D vs V DS :
• Co&puerta %OT
Figura R Si&ulación !el circuito !igital (co&puerta %OT+
• Co&puerta %O1
Figura Si&ulación !el circuito !igital (co&puerta %O1+
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• Co&puerta %A%D
Figura Si&ulación !el circuito !igital (co&puerta %A%D+
• Co&puerta A%D
Figura U Si&ulación !el circuito !igital (co&puerta
A%D+
• Co&puerta O1
Figura @ Si&ulación !el circuito !igital (co&puertaO1+
• Curva caracter5stica I D vs V DS
Figura Curva caracter5stica I D vs V DS
C. Instrumentos y Equipos Utilizados
• osciloscopio !e N canales• N &ult5&etro !igitales• Fuente Dual• son!as• genera!or !e se0ales• Conectores cai&*n cai&*n, y 'anana
cai&*n• 7arios transistores TCP@@• 6otenció&etro @VW
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• 1esistencias correspon!ientes• Dio!o nP@@P
D. Desarrollo de la Práctica
• El MOSFET co&o un SIitc" JMo!eloSK
6ara esta parte !e la pr*ctica se &ontaron ca!auno !e los circuitos !igitales con transistoresMOSFET cu&plien!o la .unción !el SIitc",!escritos anterior&ente, con el propósito !eco&pro'ar su .unciona&iento
Del &is&o &o!o se veri.icaron los valores !eV
OL > V OH > V IL > V IH para el
inversor &onta!o, a!e&*s !e gra.icar anal5tica&ente su correspon!iente .unción !etrans.erencia
• El MOSFET en la región tr5o!o JMo!eloS1K
6ara esta parte !e la pr*ctica&ente, nueva&entecon el &onta4e correspon!iente al inversor
MOSFET, se o'tuvieron los valores !e RON y
ROFF para el transistor con el /ue se tra'a4ó
-uego, se co&pro'ó el .unciona&iento !elMOSFET en la región !el tr5o!o
• El MOSFET co&o .uente !e corrienteKMo!elo SCSK (SIitc" Current Source+
6or Xlti&o, se "izo el &onta4e correspon!iente(Fig +, !on!e con el osciloscopios !e o'tuvo
la gr*.ica I D vs V DS
-uego, se &i!ió el volta4e !e u&'ral ( V t +,
varian!o el volta4e Gate "asta el punto en el cualla corriente reci8n co&ienza a .luir en elter&inal Drain !el transistor
6osterior&ente, se encontró Encuentre YZ[B-a partir !e una !e las curvas !e la región !esaturación
6ara ter&inar, con el o'4etivo !e entrar a laregión !e tr5o!o, se !is&inuyó la a&plitu! !el
volta4e V DS , para el posterior "allazgo !e la
resistencia lineal R DS para cual/uier valor !e
V DS
222 1ES$-TADOS
A. El MOSFET co&o un SIitc" JMo!elo SK
En pri&er lugar, se co&pro'ó el .unciona&iento!e ca!a uno !e los circuitos, y a continuación se
&i!ieron los volta4es V OL , V OH , V IL y
V IH , para el &onta4e !el inversor con ayu!a
!el osciloscopio y nos !a&os cuenta !e /ue losresulta!os son &uy pareci!os a los !e la "o4a !e
!atos !el !ispositivo
Ta'la N Me!iciones !e volta4es !el !ispositivoV
OL@ 7
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V OH NU 7
V IL @ 7
V IH N 7
-uego, se proce!e a gra.icar anal5tica&ente la.unción !e trans.erencia !el MOSFET inversor,o'tenien!o lo siguiente:
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Función de Transferencia del inverso
V in
Vout
Figura N Función !e trans.erencia !el inversor MOSFET
A continuación se a!4unta, la .unción !etrans.erencia o'teni!a en el si&ula!or, con unaresistencia !e @@ W, /ue correspon!e a una
gr*.ica &*s real, /ue la gr*.ica anterior (Fig N+/ue correspon!e a una .unción !e trans.erenciai!eal !e una co&puerta %OT
Figura V i y V O !el inversor en el si&ula!or
B. El MOSFET en la región tr5o!o JMo!elo S1K
Con la ayu!a !e la .unción !e trans.erencia !elcircuito inversor MOSFET, y ali&entan!o elcircuito inversor con una se0al triangular !e Q7!e a&plitu! y Q7 !e o..set, y con un potenció&etro !e MW, se proce!ió a o'servar en el osciloscopio la resistencia !e encen!i!o y
!e apaga!o !el circuito &onta!o, A!e&*s !eo'servar su co&porta&iento en la región !etr5o!o
Ta'la NN Me!iciones !e RON y ROFF !el
inversor RON @ Ω
ROFF @U MΩ
C. El MOSFET co&o .uente !e corrienteJMo!elo SCSK (SIitc" Current Source+
En pri&er lugar se proce!ió a visualizar en elosciloscopio el circuito propuesto en la gu5a !ela'oratorio, con el propósito !e visualizar
I D vs V DS (Fig P+
-uego, varian!o el potenció&etro, se o'servóco&o la curva, au&enta'a su altura, co&o seespera'a previa&ente, a partir !e la teor5a (FigQ+
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Figura P I D vs V DS en el osciloscopio
Figura Q I D vs V DS en el osciloscopio
-uego, con el o'4etivo !e "allar V t , se varió
la resistencia !e gate !es!e cero, yau&ent*n!ola "asta el punto en el /ue en elosciloscopio se o'serva /ue e&pieza a au&entar
la corriente, esto se !a cuan!o V GS ? N,@7
as5 /ue V t \ N7, siguien!o la teor5a /ue !ice
/ue el MOSFET con!uce cuan!oV
GS
?V
t
6osterior&ente, para caracterizar el transistor 6ara caracterizar el transistor es necesario sa'er el valor !e: YZ[B-, a partir !e la gr*.ica (Fig
Q+ en la /ue V GS ? N,R7 y
V DS ? ,Q7 y ya /ue V S ? @7 entonces:
V DS>V GS−V t → Transistor en saturai!n
6or lo /ue tene&os:
I D=1
2" # $
W
L (V G S−V t )
2
Co&o tene&os una resistencia @@W:
V R 100=0.015V → I D=0.015
100=0.15%&
2gualan!o con la ecuación correspon!iente,tene&os:
0.015=1
2" # $
W
L (2.6−2)2
Final&ente, !espe4an!o tene&os:
" # $ W
L
=0.83 %&
V 2
6or Xlti&o, para la cul&inación !e la pr*ctica, se
encontró la resistencia lineal R DS para un
valor espec5.ico !e V D S , entran!o a la región
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!el tr5o!o, !is&inuyen!o el volta4e V D S , por
lo /ue tene&os /ue para /ue el transistor entre aesta región !e'e cu&plirse /ue:
V D S
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C. El MOSFET co&o .uente !e corrienteJMo!elo SCSK (SIitc" Current Source+
En pri&er lugar, para las gr*.icas o'teni!as en el
osciloscopio !e I D vs V DS (Fig P y Fig Q+,
se pue!e o'servar /ue la pen!iente no es cero,co&o nos in!ica la teor5a, sino /ue posee unvalor 'astante pe/ue0o A!e&*s, !e corro'orar la .unción !el potenció&etro en el &onta4e, al
&o!i.icar la curva o'teni!a, al variar V GS en
el circuito, a!e&*s !e corro'orar lo visto en la
si&ulación
6ara la segun!a parte, nueva&ente se ve lai&portancia !el potenció&etro en el &onta4e, alvariar el volta4e !e gate, con el propósito !e"allar el volta4e !e u&'ral au&entan!o laresistencia "asta el punto en el /ue en elosciloscopio se o'serva /ue e&pieza a au&entar
la corriente, o'tenien!o V t \ N7, al tener en
cuenta /ue teórica&ente se !ice /ue el MOSFETcon!uce cuan!o V GS ? V t , por lo /ue
tener este par*&etro claro, .ue clave para po!er ter&inar esta parte !e la pr*ctica
6ara la tercera y cuarta parte !e la pr*ctica, se vela i&portancia !el osciloscopio, al 'asarnos essu i&agen para el !esarrollo !e los c*lculoscorrespon!ientes, !on!e al tener, unosciloscopio !igital la &e!ición !e ca!a uno !elos puntos !e la gr*.ica, se ve .acilita!aenor&e&ente, o'tenien!o una &ayor precisiónen los !atos to&a!os, y a su vez, tenien!o encuenta la propagación !el error, en lo c*lculos yresulta!os o'teni!os
Preguntas sugeridas.
Analice el circuito 2nversor MOSFET !e lasección anterior incluyen!o el valor !e las
resistencias RON =¿ P@W y ROFF =¿ QMW
!el transistor, 9Có&o ca&'ia la curva I D B
V DS con respecto a la suposición !el
MOSFET co&o circuito a'ierto o corto
1?B Al variar el RON y el ROFF !el
transistor, por P@ o"&ios y Q &ega o"&ios, por
supuesto, la curva I D contra V DS va a
variar, por/ue la resistencia !e encen!i!o y !eapaga!o tienen in.luencia so're estas
As5 /ue !epen!ien!o !el transistor /ue seutilice, variar5an las respectivas curvas
N 9^u8 .unción cu&ple la .uente triangular9Se pue!e ca&'iar por otra .or&a !e On!a
1?B -a .uente !e'e ser triangular para /ue elvolta4e y la corriente au&enten lineal&ente, yas5 se pue!a ver en la gr*.ica un 'arri!ouni.or&e
9^u8 "ace el !io!o en este circuito
1?B -a .unción !el !io!o es no !e4ar circular corrientes negativas, y /ue el !ren to&e valoresnegativos !e la .uente triangular
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P 9Se pue!e Calcular V DS e I D a partir !e
las &e!iciones
1?B Si se pue!e, ponien!o el canal uno !elosciloscopio en el !ren para &e!ir el volta4e en
este, el cual es igual al V DS , ya /ue el volta4e
!e source es cero, y el canal !os se usa con la
intención !e po!er conocer la corriente I D
/ue circula por el circuito, "acien!o un pe/ue0ocalculo en la resistencia !e @@W
Q 9^u8 .unción cu&ple el potenció&etro en elter&inal !e Gate
1?B El potenció&etro en el gate se pue!e ver co&o !os resistencias en serie, a &e!i!a /ueau&enta una !is&inuye la otra, esta se usa para
variar el valor !e V GS
7 CO%C-$S2O%ES
Con los resulta!os o'teni!os en la pr*ctica se pu!o corro'orar las pre!icciones o'teni!as a partir !e las si&ulaciones e in.or&ación teórica,ya /ue .ue posi'le o'servar en el osciloscopiolas tres etapas !el transistor MOSFET tipo n !eenri/ueci&iento, y se concluyó /ue el
co&porta&iento !e la curva
I D vs V DS
!epen!e estricta&ente !el valor !e V GS
-os transistores tipo MOSFET tienen una grancanti!a! !e aplicaciones, una !e ellas es en lasco&puertas lógicas ya /ue sus curvas y suscaracter5sticas per&iten !ar un rango a&plio alas tensiones, sie&pre /ue se tenga claro la
i&portancia !el volta4e !e u&'ral para laapertura y cierre !el canal, logran!o !e esta&anera .a&iliarizarnos con conceptos /ue sever*n en la asignatura !e electrónica !igital
El .unciona&iento !el circuito inversor en laregión !e tr5o!o se pue!e analizar cuan!o
V DS es &enor o igual el volta4e !e
co&puerta &enos el volta4e !e u&'ral, a!e&*s
!el co&porta&iento lineal
72 1EFE1E%C2AS
L Departa&ento !e 2ngenier5a El8ctrica yElectrónica El transistor MOSFET: Alicaci!nen Circuitos Digitales " Caracteri#aci!n$$niversi!a! %acional, N@R
[N]"ttp:BBIIIareatecnologiaco&BelectronicaB&os.et"tl
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[P]"ttp:BBra'.isQucoesBtransistoresIe'BTutorial_GeneralBMOSFET"t&l