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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:drhuertasz@unal.edu.comailto:drhuertasz@unal.edu.comailto:gaarrietar@unal.edu.comailto:gaarrietar@unal.edu.comailto:gaarrietar@unal.edu.comailto:drhuertasz@unal.edu.co

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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

[] "ttps:BBesIiipe!iaorgBIiiBMOSFET

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