Bitacora 1 Electrónica Análoga Caracterización de MOSFETs

Práctica 1: Caracterización de transistores
Sebastián Linares; Emiro Lara
{slinaresr, ealarar}@unal.edu.co
Laboratorio de Electrónica Análoga II
Universidad Nacional de Colombia.
1.
1.1.
Trabajo Previo
Calcular el voltaje de umbral Vt
En la primera parte de la práctica se utiliza el circuito de la
figura 1.1 para determinar el voltaje de umbral de un transistor
canal N. En este circuito, al poner los terminales de drain y gate
del MOSFET en cortocircuito, se garantiza que el transistor
opera en saturación [1]:
ID
VDS = VGS
VGS
VT > 0
VDS >VGS − Vt
Siendo ası́, Vt se puede hallar a partir de variables medibles en
el circuito de la siguiente manera:
VDD − VGS
RD
1
ID = kn (VGS − Vt )2
2
VDD − VGS
2
(VGS − Vt ) =
k R
r n D
VDD − VGS
Vt = VGS −
kn RD
ID =
Figura 1: Circuito para caracterizar un
MOSFET de Canal N
En donde kn = kn0 W
L . Para esta primera parte, resulta conveniente escoger un valor de RD lo suficientemente grande, de tal forma que el término de la derecha tienda a
0, y se pueda medir Vt directamente en el circuito de la figura 1.1:
VGS ≈ Vt
Este proceso es homólogo para determinar Vt en los MOSFETs canal P, en cuyo caso VSG ≈ Vt
1.2.
Obtener el valor aproximado de la constante kn
En la segunda parte del laboratorio, se utiliza el mismo circuito para determinar kn de cada transistor de
canal N.
1
1
kn (VGS − Vt )2
2
2ID
kn =
(VGS − Vt )2
ID =
(1)
(2)
El proceso para determinar kp en los de canal P es homólogo, con la distinción de que tanto kp como ID
toman valores negativos.
1.3.
Curva caracterı́stica ID vs. VGS
Una forma de representar el funcionamiento del MOSFET en la región de saturación es con la curva ID vs.VGS .
Con el montaje del circuito 1.1, en el osciloscopio se pueden observar en dos canales, con la misma referencia
a tierra, una señal proveniente de vDD y una de VGS . De esta manera, si CH1 = VDD y CH2 = VGS , se
y CH2.
pueden construir la gráfica con datos de: ID = CH1−CH2
RD
2.
Trabajo en el Laboratorio
En el laboratorio, se montó el circuito de la figura 1.1 para cada uno de los 4 transistores N del integrado
ALD1106, y se utilizó una resistencia de RD = 11,21M Ω para medir Vt entre VG y VS . De forma homóloga,
se hizo el mismo montaje, con la polarización de la fuente en el sentido opuesto, para obtener los Vt en el
ALD1107. Tomando como número 1 el transistor entre los pines 1-3 del integrado, y 4 el que se encuentra
entre 12-14 [2], los valores de Vt para cada transistor de Canal N en el ALD1106, y de Canal P en el ALD1107,
son:
Tipo
N
No.
1
2
3
4
Vt (mV )
577
577
579
577
Tipo
P
Cuadro 1: Valores de Vt para los NMOS ALD1106
No.
1
2
3
4
Vt (mV )
-693
-703
-703
-695
Cuadro 2: Valores de Vt para los PMOS ALD1107
Posterior a esto, se cambió la resistencia RD por una de 99,0kΩ, y, para obtener los valores de kn y kp en el
nuevo montaje, se hallan usando la ecuación 2. Ası́, obtenemos:
Tipo
N
P
No.
1
2
3
4
1
2
3
4
Vt (mV )
577
577
577
577
-693
-703
-703
-695
VGS /VSG (mV )
1.025
1.023
1.024
1.025
1.292
1.300
1.300
1.295
kn /kp (µA/V 2 )
406.8
412.5
414.2
408.6
214.0
214.9
214.9
213.1
Cuadro 3: Valores de kn y kp para todos los MOSFETs
Por último, se reemplazó la fuente DC con una señal triangular de frecuencia 5Hz para emular un barrido
lineal en DC, ya que el tiempo de subida, 100ms, es relativamente largo. Esta sección sólo se realizó con
el NMOS 1. Cómo se describe en la sección 1.3, las sondas del osciloscopio fueron ubicadas en VDD y VGS
respectivamente, lo cuál nos permitió visualizar la figura 2.
2
Al exportar el archivo .csv y graficar las variables coVDD
rrespondientes, podemos observar las señales VGS e
VGS
ID en el tiempo. La gráfica de la figura 3 no es posible obtenerla y visualizarla directamente en el osciloscopio, ya que la señal de la corriente es el resultado de una operación entre los canales. Si, en
otra topologı́a, la resistencia está entre la tierra y
el MOSFET, se podrı́a medir la señal de corriente directamente en un canal, sin embargo, la señal
de tensión VGS ahora tendrá que ser un resultado de una operación matemática. Por esta razón se
exportan los datos para poder tratarlos y graficar- Figura 2: Visualización de VDD y VGS en el Osciloslos.
copio
8.00
7.00
6.00
V (V)
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
200
4.00
VGS
500.00
ID(µA)
3.00
400.00
300.00
ID (µA)
VGS (V)
2.50
2.00
1.50
200.00
1.00
100.00
0.50
0.00
0.00
300
350
400
450
500
550
600
650
400
500
600
700
800
Habiendo obtenido estos datos, se procede a generar la
curva de la relación entre VGS y ID . En la gráfica de la
figura 4 también se encuentra la curva caracterı́stica teórica del NMOS 1 generado con los parámetros en la tabla
3. Se puede notar que los puntos de la gráfica obtenida
experimentalmente tienen alta incertidumbre en valores
de ID y la discretización en VGS es muy gruesa: esto es
debido a la poca exactitud de los datos del .csv generado
por el osciloscopio, en los cuales sólo se utilizan 2 cifras
significativas, a pesar de que en el cursor del osciloscopio
se pueden observar 5.
600.00
3.50
300
700
Figura 3: ID y VGS en el dominio del tiempo
550
450
350
I (µA)
ID(µA)
ID-T (µA)
250
150
50
0.00
-50
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
VGS (V)
Figura 4: Relación VGS vs. ID para el NMOS 1 del ALD1106.
3.
Conclusiones
Los parámetros de los transistores son relativamente cercanos entre sı́ dentro de un mismo chip, lo
que permite con mayor facilidad, en prácticas futuras, implementar circuitos que lo requieran como los
espejos de corriente. Esta ventaja es debido a la integración de los MOSFETs, que permite una alta
confiabilidad en que las diferencias en parámetros de fabricación son prácticamente nulas.
3
Los ALD tienen alta capacidad para amplificación, y presentan una muy buena estabilidad frente a
ruido electromagnético. Sin embargo, debido a su tamaño y el hecho de que son MOSFETs, pueden ser
bastante sensibles a cambios de parámetros ambientales, o a perturbaciones mecánicas.
La resolución o cifras significativas que exporta el osciloscopio son de muy baja calidad, lo cual, en
algunos casos como este, no permite hacer análisis suficientemente precisos. Esto se puede deber a poca
capacidad de almacenar datos en memoria volátil del equipo.
Referencias
[1] Sedra, A., Smith, K., Microelectronic Circuits, 7th ed, Oxford University Press, 2016.
[2] Advanced Linear Devices, Inc., ALD1106/ALD1116 - Quad N-Channel, Matched Pair MOSFET Array,
Sunnyvale, CA, 2012.
4