2016495 Informe Laboratorio N° 7

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.
[email protected]; [email protected]; [email protected]
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.
I.
Introducción
L
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.
II. Marco teórico
1.
Transistor
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]
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2.
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.
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 VGS, 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 VGS 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, VDS, este voltaje
hace que circule una corriente ID 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 ID depende de la densidad de electrones
del canal que a su vez depende de la magnitud de
VGS, cuando VGS=VD la corriente que fluye por el
2
canal es casi despreciable, pero a medida que
aumenta VGS 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 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
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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.
3
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]
IG = 0
ID = IS
Figura 4, Funcionamiento de un Mosfet tipo N
de enriquecimiento [5]
III. Metodología
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.
 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:
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
o 1 Osciloscopio de 2 Canales.
o 1 Generador de señales con resistencia de
salida de 50Ω.
o 1 Multímetro digital.
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.
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o 1 Fuente DC.
o 3 Sondas.
o Conectores caimán- caimán.
o Conectores banana-caimán.
o Transistores
Mosfet
canal
enriquecimiento TC4007.
o Resistencias de 10Ω y 100kΩ.
o Potenciómetro de 10kΩ.
o Diodo 1N4004.
o Led
N
de

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 (VGS). Por último se encontraron los
parámetros de funcionamiento del transistor: W, L,
k’ƞ, a partir de una de las curvas anteriormente
encontradas.

A lo largo del procedimiento (mediciones) se
tomaron evidencias de las salidas para demostrar
que se verificaron cada uno de los montajes.
Simulación
Circuito compuerta NOR:
Tabla de verdad
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
C
1
0
0
0
IV. Circuitos
Circuito compuerta NOT:
Tabla de verdad
A
0
1
B
1
0
Simulación
4
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Circuito compuerta NAND
5
Circuito fuente de corriente
Tabla de verdad
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
C
1
1
1
0
Simulación
V. Tablas y resultados
Simulación
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:
VOL = 0,05 V
VOH = 4,95 V
VIL = 1,0 V
VIH = 4,0 V
La función de transferencia que permite hallar los
anteriores valores es la siguiente:
Simulación
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:
6
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Mosfet región Tríodo
4
IDS (mA)
3
2
1
0
0
Gráfica 1, Función de transferencia circuito inversor
Mosfet
Los valores para el circuito montado son:
VOL = 0,1 V
VOH = 4,8 V
VIL = 0,9 V
VIH = 3, 7 V
1
2
VG (V)
3
4
5
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)
0,2
0,8
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
IDS (mA)
2,0280
1,5450
1,2870
0,9860
0,7380
0,4140
0,0147
Ya ubicadas las gráficas en el eje X y Y se obtuvieron
para los valores:
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12 Voltios
7
7 Voltios
VD
VD
ID (mA)
ID (mA)
Cuando el Mosfet opera en región de saturación la
corriente Id está dada por:
10 Voltios
𝐼𝐷 =
VD
1
𝑤
𝐾𝑛 (𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡 )2
2
𝐿
Ya que se conoce ID podemos reemplazar y a partir de
ello obtenemos que Kn (W/L) es aproximadamente
1.16 mA/v2.
VI. Respuestas a las preguntas
sugeridas
ID (mA)
¿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.
9 Voltios
VD
ID (mA)
¿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.
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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 VDS e ID a partir de las
mediciones?
Las mediciones de VDS e ID 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 VGS 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 ID además de esto nos
permite conocer las condiciones con las que se
realizan los diferentes cálculos del transistor
Kn(W/L).
8
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: http://tatanrosas.jimdo.com/unal/publicaciones
IX. Referencias
VII. Conclusiones
1.
2.
Se evidencia que la curva característica del
transistor Mosfet cuenta con tres regiones:
Corte, cuando la tensión VGS es menor al voltaje
umbral Vt , de Tríodo cuando VGS es mayor que
Vt y la tensión drain es menor a la tensión gate
y por último la zona de saturación cuando el VGS
es mayor al Vt y a su vez la corriente se hace
independiente del voltaje entre el drain y el
source.
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
[1] Resumen de la teoría de funcionamiento de un
transistor,
SDA,
SFP,
http://www.areatecnologia.com/TUTORIALES
/EL%20TRANSISTOR.htm
[2] Imagen
obtenida
de
http://www.iesjuandelacierva.com/paginade/iva
n/hardware3.html
[3] Imagen
obtenida
de
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/semiconducto
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,
http://hispavila.com/blog/wpcontent/uploads/2015/08/transistor_mos_cap4.p
df