diseño e implementación del módulo de medición de transistores
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO DE MEDICIÓN DE TRANSISTORES MOSFET Dr. Rodolfo Zola García Lozano Centro Universitario UAEM Ecatepec. Ecatepec, Edo. de Méx.,México [email protected] M.C.C. José Alejandro Pineda Aguillón Tecnológico de Estudios Superiores de Coacalco TESCO. Coacalco, Edo. de Méx., México [email protected] Área de participación: Licenciatura en Informática Resumen El presente documento describe la automatización del proceso de medición de transistores MOSFET con equipo de medición programable con interfaz GPIB. El módulo forma parte del proyecto del laboratorio remoto de caracterización eléctrica el cual representa una herramienta muy útil para medir y analizar dispositivos electrónicos para determinar sus características y rangos de operación, así como en el proceso de enseñanza en el área de cómputo y electrónica facilitando la asimilación y aplicación de los conceptos teóricos complementados con la práctica. Palabras clave: Automatización, GPIB, Transistores MOSFET. Introducción En el CU UAEM Ecatepec se tiene el proyecto de implementar un Laboratorio remoto de caracterización eléctrica de dispositivos semiconductores que apoye las actividades académicas de los estudiantes de la carrera de Ingeniería en Computación. En el laboratorio de electrónica del Centro Universitario se cuenta con tres fuentes medidores marca Keithley 2400 para la realización de dichas caracterizaciones (I-V). Estos dispositivos cuentan con una tarjeta GPIB (Fig. 1), que permite la comunicación entre el equipo de medición y la computadora de control de los mismos [1]. Es importante resaltar que aunque el equipo dispone de la interfaz de comunicación, no se cuenta con un programa que permita el control por computadora de los equipos. Esta situación crea la necesidad de realizar una herramienta que permita automatizar, por computadora, el control de la fuente, la adquisición de datos y el procesamiento de los mismos. Fig. 1. Parte frontal y posterior del equipo Fuente-Medidor Keithley 2400 1 Materiales y Métodos Los laboratorios virtuales y remotos representan una oportunidad para el docente de estimular al alumno con tecnología educativa. Por otro lado, cede al alumno la responsabilidad de aprender por sí mismo y transferir su aprendizaje al mundo real. Sin embargo, presenta el reto de desarrollar materiales con intereses educativos y de investigación, para hacer de éste tipo de herramientas un medio para alcanzar un nivel superior de aprendizaje [2][3]. Estas herramientas proporcionan elementos necesarios para abordar la realización de actividades prácticas a través de entornos computacionales. La principal característica de este tipo de laboratorios es lograr que el usuario realice actividades de reforzamiento del conocimiento lo mas similar posible a como si se encontrara en las instalaciones geográficas del laboratorio tradicional [2], simulando e interactuando con instrumentos virtuales o bien manipulando dispositivos de control y medición. Con la finalidad de distinguir entre un laboratorio remoto y un laboratorio virtual es necesario revisar las definiciones de estas herramientas: Un laboratorio virtual consiste en un ambiente informático que es capaz de recrear un experimento, simulando el ambiente del laboratorio tradicional [3]. Los experimentos no se realizan físicamente, en vez de esto, la computadora reproduce virtualmente los fenómenos a estudiar, en base a un modelo matemático programado previamente. Un laboratorio remoto permite realizar actividades y/o experimentos con herramientas que se encuentran en un sitio específico y distante [3]. El fenómeno se reproduce bajo condiciones controladas mediante equipo susceptible de ser controlado desde una computadora conectada en red. Un laboratorio remoto consiste de varias etapas para su implementación que van desde la calibración de los equipos y mecanismos físicos hasta la interfaz web que permita el acceso remoto. La figura 2 describe el esquema de conexión del laboratorio remoto dividido por etapas. Estudiante Estudiante Aplicación de usuario: a) Navegador WEB b) Aplicación WEB del Laboratorio Servidor WEB Servicios WEB: a) Registro de usuarios b) Herramientas de comunicación Servidor BD Instrumentos Controlador Automatización: a) Envío de las órdenes a los instrumentos b) Resultados de la ejecución de los comandos Fig. 2. Esquema de conexión de un laboratorio remoto En el CU UAEM Ecatepec, se desarrolla la etapa de automatización equipos de medición mediante interfaz GPIB para la caracterización eléctrica de dispositivos de 2 dos y tres puntas como diodos y transistores. Los transistores MOSFET son dispositivos semiconductores. Su estructura se conforma de tres elementos: Metal/ Dieléctrico/Semiconductor. Este tipo de dispositivos basan su funcionamiento en la capacidad de poder controlar la concentración y el tipo de portadores en la región semiconductora cercana a la interfaz dieléctrico/semiconductor, mediante la aplicación de voltaje en la compuerta [4]. La Fig. 3 se muestra el corte transversal de un transistor MOSFET canal N. G S D 3 N+ N+ Silicio tipo P Fig.3 Figura de transistor MOSFET Para explicar el principio de funcionamiento del MOESFET, consideraremos que inicialmente el transistor se encuentra apagado. En esta condición no se ha formado el canal, por lo que si se aplica un voltaje entre el drenador y la fuente el transistor no conduce. Para que el MOSFET empiece a funcionar es necesario aplicar un voltaje de compuerta VG positivo mayor al voltaje de umbral del transistor (V th), el cual representa el voltaje mínimo para inducir el canal de conducción del transistor, y por lo tanto, exista conducción entre la fuente y el drenador. Si aplicamos voltajes de dreandor V DS, suficientemente pequeños para no causar ninguna diferencia significativa en el potencial de superficie cerca de la región del drenador, la concentración de electrones a través del canal seguirá siendo la misma. Bajo esta condición, el canal se comporta como un elemento resistivo, por lo que la corriente depende linealmente respecto al voltaje VDS. A esta región se le conoce como región lineal. En la Fig. 4 se observa la característica de salida de un transistor. La región lineal se puede identificar por la dependencia de la corriente del transistor respecto a V DS y se presenta para valores bajos de VDS. En la medida en que VDS se incremente, la diferencia de potencial entre la región cercana al contacto de drenador y el canal se reduce. Como resultado de esta reducción, la concentración de electrones cerca del drenador decrece. Si la diferencia de potencial entre el óxido y la región cercana al drenador continua disminuyendo, se puede alcanzar la condición en que el potencial en la región cercana al drenador quede por debajo del valor requerido para mantener el canal, llegando a la oclusión del mismo. Para voltajes VDS mayores, el incremento de la corriente se atenúa hasta que se alcanza la corriente de saturación, en donde I D depende solamente de V GS [5]. En la Fig. 4 observa la región de saturación para valores de V DS altos. 4 Fig. 4 Gráfica de salida del transistor ALD1106 En la condición lineal, el valor de la corriente ID estará definido por la resistencia del canal, esto es, la ID depende linealmente de V DS. Este comportamiento se describe mediante la ecuación (1)[5]. ID ZnCox (VG Vth )VD ……….…….….(1) L Cuando se cumple que VDS > (VGS – Vth) el transistor MOSFET trabaja en la región de saturación. Para esta condición de polarización la corriente entre el drenador y la fuente puede expresarse mediante la ecuación (2)[5]. I Dsat Z n C ox VG Vt 2 …………..…...(2) 2L Como se puede observar en la ecuación independiente de VD. (2), la corriente de saturación es El GPIB es un bus estándar de datos digital de corto rango desarrollado por HewlettPackard en los años 1970 para conectar dispositivos de prueba y medida (por ejemplo multímetros, osciloscopios, etc.) con dispositivos que los controlen. En 1978 el bus fue estandarizado por el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) como el IEEE-488 (488.1)[6]. El IEEE-488 permite que hasta 15 dispositivos inteligentes compartan un simple bus paralelo de 8 bits (Fig. 5), mediante conexión en cadena, con el dispositivo más lento determinando la velocidad de transferencia. La máxima velocidad de transmisión está sobre 1 Mbps en el estándar original y en 8 Mbps con IEEE-488.1-2003 (HS-488)[6]. Las 16 líneas que componen el bus están agrupadas en tres grupos de acuerdo con sus funciones: ocho líneas de datos, tres líneas de control de transferencia de datos y cinco líneas de uso general. Cada dispositivo conectado al bus es diferenciado mediante una dirección de dos dígitos única [6]. Dispositivo A Dispositivo A Dispositivo D Dispositivo A Dispositivo B Dispositivo C Dispositivo A Fig. 5. Topologías en el bus GPIB en forma de estrella y lineal respectivamente. 5 MatLab contiene una librería denominada “tmtool” que nos permite comunicarnos de manera transparente con el equipo de medición desde la PC mediante una tarjeta de adquisición de datos, un bus de datos y puertos de comunicación de interfaz GPIB además de una serie de comandos denominados SCPI. Cada instrumento con interfaz GPIB, dependiendo de su funcionalidad, cuenta con una serie de comandos que permiten configurar, operar y obtener respuesta, el tmtool nos permite traducir el comando SCPI en la sintaxis equivalente de MatLab para poder controlarlo sin ningún inconveniente [7], la programación será tan compleja según el flujo de información que se requiera y la cantidad de funciones que el equipo pueda realizar [8]. La interfaz gráfica nos permite realizar la configuración de las fuentes y los parámetros de medición para medir cada una de las características así como las gráficas resultantes de salida, transconductancia (Fig. 6). Figura 6. Interfaz gráfica de usuario del módulo de caracterización eléctrica del transistor La Fig. 7 Muestra el diagrama de flujo de módulo de caracterización del transistor. Inicio Mostrar gráfica de salida SI NO Medir característica de salida ¿Transistor funciona? Guardar datos Medir transconductancia 6 Mostrar gráfica de salida Guardar datos SI ¿Nuevo dispositivo? No Fin Fig. 7. Diagrama de flujo del módulo de caracterización del transistor Se realizó la caracterización eléctrica de transistores de la serie ALD1160, es un integrado el cuál contiene 4 transistores MOSFET de silicio de canal tipo N [9]. Para poder caracterizar el dispositivo lo primero que se realizó fue la medición de la característica de salida. Esta medición nos permite apreciar la región lineal y de saturación para cada VGS aplicado. También podemos apreciar si el transistor está funcionando adecuadamente, es decir, si se está polarizando correctamente el canal, si el dispositivo presenta corriente de fuga o bien se encuentra dañado. Se midieron los 4 transistores del integrado para medir la característica de salida, como se muestra en la Fig. 8. 10 … … 0.1 VDS 10 10 … 0.1 0.1 10 … 0 VGS Fig. 8. Polarización de voltajes de drenador y compuerta para la característica de salida. Otra curva característica de los transistores es la de transconductancia que se mide tanto en régimen lineal como de saturación. La Fig. 9 muestra la característica de transconductancia del transistor. Esta medición permite ver el comportamiento de la corriente en el régimen lineal y de saturación, podemos encontrar algunos parámetros de operación como el voltaje de umbral V t, la pendiente sub-umbral (s) y la relación Ion/off. Estos parámetros permiten caracterizar el funcionamiento de los dispositivos. 7 Fig. 9. Gráfica de transconductancia del transistor ALD1106 Para poder obtener la característica de transconductancia se aplicó un voltaje lineal de 0.1v y un voltaje de saturación de 10v en el drenador para distintos valores ascendentes de de VGS. La Fig. 10 muestra la medición hecha sobre el transistor 10 0.1 VDS 10 10 … … 0.1 VGS 0.1 0 0 Fig. 10. Polarización de voltajes de compuerta y drenado (lineal y saturación) para la característica de transconductancia. La etapa de salida permite ver si el transistor funciona correctamente o presenta algún defecto, si el transistor presenta mal funcionamiento se descarta y se prueba con otro transistor. Una vez que encuentra un dispositivo que presente una buena característica de salida, se mide la característica de transconductancia, los datos generados se almacenan para ser procesados por alguna herramienta externa. El esquema de conexión para polarizar el transistor tanto en la característica de salida como en la de transconductancia se aprecia en la Figura 9. V D D V G G S Figura 9. Esquema de conexión del transistor Resultados y Discusión Los transistores que se utilizaron para realizar las pruebas de medición del equipo fueron transistores MOS de la serie ALD1106 de canal tipo N, cada circuito integrado contiene 4 transistores, de los cuales se obtuvieron los resultados que se muestran en la Tabla 1. 8 Tabla 1. Valores y parámetros obtenidos de la medición. Vth (lin) Vth (sat) S(pend-sub) I (on/off) T1 1.03050452 1.09100557 2.36E-06 1.18E+08 T2 1.13398607 0.95688196 3.35E-06 1.09E+08 T3 1.22391887 1.16278728 2.32E-06 1.92E+08 T4 1.07909537 1.05813727 1.70E-06 1.76E+08 Conclusiones El desarrollo de tecnologías educativas permite realizar actividades de reforzamiento que faciliten la asimilación del conocimiento, los laboratorios remotos son un ejemplo de estas herramientas. El módulo de caracterización del Laboratorio permite realizar un análisis gráfico de las características del transistor para entender de mejor manera su comportamiento. La automatización de equipo de medición se realizó mediante una interfaz GPIB y comandos SCPI propios de cada dispositivo programable. Para poder caracterizar el transistor se realizan tres etapas de medición, la primera es la etapa de salida en la que se aplica un voltaje VD para distintos VG, la segunda etapa de transconductancia en la que se aplica un voltaje VG para un VD lineal y o de saturación. Referencias [1] Model 2400 Series SourceMeter Quick Results Guide Rev. C [2] Gomes G. J., Advances on Remote Laboratories and e-learning experiences, ed. Universidad de Deusto, ISBN 978-84-9830-077-2 (2007) [3] Candelas, F. A. y Moreno, J. S., (2005). Recursos didácticos basados en Internet para el apoyo a la enseñanza de materias del área de Ingeniería de Sistemas y Automática. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial, vol. 2, pp 93. [4]Dosev, Dosi Konstantinov, “Fabrication, characterisation and modelling of nanocrystalline silicon thin-film transistors obtained by hot-wire chemical vapour deposition”, 2003, España. [5]M.S. Tyagi, “Introduction to Semiconductor Materials and Devices”, Jonh Wiley & Sons Inc. Singapore, 1991. [6]http://www.hit.bme.hu/~papay/edu/GPIB/tutor.htm [7] www.mathworks.com [8] Model 2400 Series SourceMeter Quick Results Guide Rev. C [9]http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/ald/ALD1106.pdf Acerca de los Autores Dr. en C. Rodolfo Zola García Lozano recibió el grado de Ingeniería Electrónica de Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec (TESE), México en 1996. Obtuvo el grado de doctorado en Ingeniería Eléctrica en el Centro de Investigación y Estudios Avanzados (CINVESTAV-IPN), Ciudad de México, en 2005. Actualmente trabaja como Profesor Titular en la Universidad Autónoma del Estado de México (UAEM) en Ecatepec, Estado de México. Sus intereses de investigación están relacionados con los circuitos electrónicos y la aplicación de los dispositivos de película delgada. M.C.C. José Alejandro Pineda Aguillón recibió el grado de Maestría en Ciencias de la Computación por la Universidad Autónoma del Estado de México (UAEM), en 2011. El presente artículo forma parte de su trabajo de tesis y se encuentra trabajando como profesor de tiempo completo en el Tecnológico de Estudios Superiores de Coacalco (TESCO), sus intereses de investigación están relacionados con el desarrollo de software enfocado a la instrumentación virtual y desarrollo de tecnología educativa. Autorización y renuncia Los autores del presente artículo autorizan al Tecnológico de Estudios Superiores de Coacalco (TESCo) para publicar el escrito en la Revista de Divulgación Institucional TESCOATL. El TESCo o los editores no son responsables ni por el contenido ni por las implicaciones de lo que está expresado en el escrito. 9
