11"

+- Experimento de laboratorio 8Transistores de efecto de campo'" , metal-oxido-semiconductor

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EntrN Vert:r osc2<'<J>0;;

Objetivos

A. Mostrar y medir Ia caract!:ristica depolari-zacian cero de un transis~or de efecto decampo metal-oxido-semiconductor.

B. Mostrar y medir 131 caracteristicas delmodo de empobrecimiento de un transistorde efecto de campo metal.oxido-semicon-ductor.

C. Mostrar y medir 131caracteristicas del modode enriquecimiento de un transistor de efec-to de campo metal.oxido-semiconductor.

Conceptos bcisicos

1. En un transistor de eJecto de campo metal-oxido-semiconductor. (Metal oxide semicon-ductor field effect transistor-MOSFET) Iacompuerta esta aislada del canal.

"'"

,

'r'I

.~,

2. Un MOSFET tambien se conoce como un

FET de compuerta aislada (insulated gateFET-IGFET).

3. Los MOSFET son de canal No canal P.4. Cuando la polaridad de la polarizacion de

compuerta-fuente requerida es tal que pro-duce una reduccion en la corriente de canal,se dice que el MOSFET funciona en elmodo de empobrecimiento.

5. Cuando la polaridad de la polarizacion decompuerta-fuente requCfrida es tal que pro-duce. un aun1ento en la corriente de canal,se dice que el MOSFET funciona en elmodo de enriquecimiento.

6. Algunos MOSFETs pueden operar en ambosmodos, de emprobrecimiento y enriqueci-miento.

7. Un MOSFET puede tener dos compuertas;

I

II,III

l

TranliltoNI de etecto de campo

se Ie conoce como MOSFET de compuertadoble.

8. La impcdancia de entrada es mas alta y lacapacitancia de entrada mas baja en unMOSFET que en un JFET.

9. Los MOSFET pueden requerir derta formade proteccion de compuerta para impedir eldaiio debido a la carga estatica.

Informacion preliminar

El transistor de eJecto de camfX> metal-oxido-semiconductor (MOSFET) es un paso mas 'adelan-te del transistor de efecto de campo de unionOFET). Ya que hay una corriente minima decompuerta en un transistor de efecto de campo,es posible aislar el electrodo de la compuerta delcanal. El aislante tiene la forma de un oxido ge-neralmente bioxido de silicio (5i02). A este tipode transistor (MOSFET) tambien se Ie conocecomo transistor de efecto de campo de Ciompuer-ta aislada (IGFET).

La figura 8-1 muestra la construccion de un MOS-FET tipico de canal N. La compuerta es un elec-trodo met3.lico colocado sobre el canal. La com-puerta no hace contacto con el canal debido auna capa de 5i02 , un material semejante al vidriocon excelentes propiedades de aislantt. EI canales continuo de fuente a drenaje y esta incrustadoen un material de base semiconductora "dopado"opuestamente y que se conace como sustr~to.

La figura 8-1 tambien muestra el simbolo esque-matico del MOSFET de canal N. La direccion de

la flecha en la punta del substrato muestra que eldispositivo tiene un canal N. Un dispositivo de ca-nal P se representa haciendo que la £lecha apunteen la direccion opuesta. La terminal del sustratopuede sacarse del encapsulado mediante una pun-

0

G~Sustratol sSimbolo deMosfet decanal N enmodo deempobrecimiento

Sustrato

Fig. 8-1

.

ta por separado 0 puede estar conectada.en formaintema a la fuente como se muestra en la figura8-1.

El 'Cuncionamiento del MOSFET de canal N essemejante a la del JFHT de canal N que se estu-dio antes. Con un voltaje extemo aplicado a tra-ves del canal (positivo de drenaje a fuente), secrea la conduccion. El canal N contiene portado-res de corriente por 10 que el dispositivo normal-mente esta encendido. El canal puede empobre-cer-se de portadores de corriente mediante un vol-taje negativo en la compuerta. Las cargas igualesse repelen, por 10 que los electrones del canalpueden desplazarse por la compuerta negativa. Enefecto, si la compuerta se hace suficientementenegativa, el canal puede estrangularse de tvJas susportadoras y la corriente de drenaje decae a cero.A este modo de operacioil se Ie conoce comomodo de empobrecimiento. El canal normalmentees conductor pero aplicando suficiente polariza-cion de compuerta puede quedar estrangulado sinsus portadores.

,

La corriente de compuerta £luye si se polariza di-rectamente el diodo de canal de compuerta de unJFET.o El MOSFET no necesita tener un diodo decompuerta, 10 que no constituye un problema.Esto se utiliza en el modo de operacion de realce,que significa que la terminal de compuerta se uti-liza para mejorar la conductividad del canal. LosFETs en modo de enriquecimiento normalmenteson dispositivos apagados. Se pueden encenderaplicando suficiente polarizacion directa a la ter-minal de la compuerta.

Algunos' MOSFETs pueden funcionar tanto en elmodo de empobrecimiento como en el de enri-quecimiento. Tienen un canal completo y normal-mente estan encendidos. Se puede variar la con-ductividad del canal mediante la magnitud y pola-ridad adecuadas del voltaje de compuerta. El es-pesor del canal determina si el dispositivo tieneambas caracteristicas de empobrecimiehto y enri-quecimiento. Para este tipo de dispositivo normal-mente se utiliza el diagrama esquematico delmodo de empobrecimiento.

.

41

T1tln,iltores th efecto de campo

Metaly--\Fuente...Compuer.tarDrenaje

0

.~ "'''''tos~imbolodeMosfetdecanal N enmodo deenriquecimiento

Canal Ninducido.(Sustrato)

Fig. 8-2

La figura 8-2 muestra los detalles de un MOSFETde tipo de enriquecimiento canal N. No hay uncanal N completo desde la terminal de fuente a laterminal de drenaje. Si se conecta una fuente devoltaje externo a traves de la fuente y drenajehabra poca 0 ningu~a conduccion. Este es un dis-positivo .rtormalmente apagado. Sin. embargo, sepuede .inducir un canal N aplicando la carga apro-pi~da a la terminal de la compuerta. Si se hacepositiva 1a compuerta con respecto a la fuente, seatraen las portadoras de tipo N hacia laregionbajo el electro do de la compuerta. Este canal Ninducido mantiene el flujo de corriente y el dis-positivo conducira.

. En la figura 8.2 tambien aparece el simb6lo es.quematico para el FET de modo de enriqueci-miento canal N. Note que el canal esta formadopor guiones 0 una linea interrumpida, 10 que sig-nifica que -no esta completo y que el dispositivonormalmente esta apagado hasta que se aplica elvoltaje adecuado de compuerta. Un dispositivo decanal P tendria la flecha del sustrato apuntandoen la direccion opuesta. Con frecuencia se aco-plan los dispositivos de enriquecimiento del tipo Pcon los dispositivos de enriquecimiento de tipoN en un arreglo complementario que se conocecomo CMOS. Los dispositivos CMOS se caracte-rizan por su uso muy eficiente de la fuente deenergia.

Algunos MOSFET tienen dos compuertas sepa-radas y cUalquiera 0 ambas pueden controlar lacorriente del canal. A este, tipo del MOSFET seconoce como MOSFET de doble compuerta. Doscompuertas por separado perrniten efectos espe-dales 0 que un MOSFET realice funciones de

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....

control multiple. Por 10 general se muestran doscompuertas scparadas en el simbolo esquematico.

En el JFET de canal N, la polarizaci6n inversa deldiodo de compuerta impide la corrientc de com-puerta. En el MOSFET, cl oxido aislante impidela corriente de compuerta (aunque no es rarotener una corriente de compuerta en el rango depicoamperes ,a nanoamperes). El aislante es mu-cho mas perfecto que el diodo y la impedancia deentrada del MOSFET puede llegar hasta a un mi-110n de megohms. La estructura de compuerta deMOSFET tambicn tiene la ventaja de una capaci-tancia mas baj~ de entrada. La menor capacitan-cia del MOSFET mejora su funcionamiento a al-tas frecuencias. .

Una dificultad con los MOSFETs es el peligro dedano a la compuerta debido a la pcrforacion. Ladelgada capa de bioxido de silicio puede perfo-rarse en presencia de campos electricos estaticos.Las cargas estaticas, no se drenan debido a laimpedancia de entrada extremadamente alta ypueden acumularse hasta el punto de que ocurraruptura de compuerta, 10 que perfora el aislante.de oxido yde.struye el dispositivo. Para impedirque s-uceda eso, ahora se fabrican unos MOSFETscon una proteccion de diodo Zener interno entrela compuerta y la fuente, 10 que naturalmentesacrifica parte de la extremadamente alta impe-dancia de entrada del dispositivo. Los MOSFETsno protegidos deben manejarse con cuidado. Du-ran~e su transportacion y manejo se deben ponersus puntas en corto. El material para poner en corto

\ !as puntas debe quitarse solo despues de conec-tar el dispositivo al circuito 0 dispositivo deprueba.

Lecturas complementarias

Para mayor informacion sobre el tema, consultela bibliograHa al final de este capitulo.

Equipo y materiales \

Fuente de energiaFuente de energia

O-lOVca0-2Vcd, 5mA

- --- -Transistor.! de .f.cto de ernIf,'"

YOM electronico

OsciloscopioSistema de capacitacion en electronica

CR1 Diodo de silicio, 1N4004

(21 - MOSFET, canal N, protegido encompuerta, 40841

-lMn, lW- 47n, lW

R1R2

Tablero universal K, para e~perimentos

Objetivo A. Mostrar y medir la caracteristica depolaftzacion cero de un transistor de efecto decampo metal-oxido-semiconductor.

CI 1. a) Conecte el circuito mostrado en la figura8-S. Para impedirdaiio al MOSFET, todavia noaplique energia electrica.

NOTA: EI MOSFET 40841 es de tipo de com-puma doble. Las compuertas se conectan entre 51en CIte experimento de laboratorio para simularun dispositivo de compuerta simple. En un expe-rimento. posterior se exploran las caracteristicasde Ia compuerta doble del dispositivo.

0 b) Utilice la entrada horizontal externa y lasei\al de prueba calibrada y calibre el amplificadorhorizontal del osciloscopio para 2.5V/cm comoen los experimentos anteriores.CI c) Ajuste el osciloscopio para deflexion ver-tical de 0.02V/cm.CI d) Ajuste el voltaje VDD de drenaje de lafuente de ca variable a 10 volts (rms). EI diodoCRI permite que solo se aplique la altemacionpOlitiva del voltaje de ca entre el drenaje y lafuente del MOSFET.

CR1

HOAI

JAI osciloscopio

VERT 'V) ~o:ca

R24711

':'

Fig. 8-3

28

24-

120£116at

'~12"0

II 8cat'E 48

0 8 10 12 14 16 18 202 4 6

Voltaje drenaje-fuente vcs (volts)

Fig. 8-4

0 e) Conecte el osciloscopio al circuito comose muestra en Ia. figura 8.3. Use la punta multipli-cadora XI0 en la entrada vertical. La onda debeparecer semejante a la CUIva de polarizacion cerodel JFET registrada en el'experimento anterior.0 f) Dibuje la onda del osciloscopio en 1.grafica de la figura 8.4. El eje de la coniente Iededuce utilizando la ley de Ohm. EI aniplificadorvertical se ajusto a O.02V/cm 10 que queda como0.2V/cm con una punta de lOX. I = EfR. .0.2/47 = 4mA/cm. El eje horizontal se calibre.para 2.5 V/cm. Senale esta curva como VGS .OVcd.

0 g) Indique 5i el MOSFET presenta una re-~6n ohmica a valores baj05 de VDS semejante aIJFET .

0 h) Indique 5i el MOSFET presenta una re-gion de corriente constante a valores de VDS m.alia de Vp en fonna semejante al JFET.

0 i) Lea IDS S de la curva generada en eIpaso f).

IDss = .--............

0 j) Apague la fuente de energia.

Objetivo B. Mostrar y mc:dir las caracterutiC81del modo de empobrecimiento de un transistor'"efecto de campo metal-6xido-semiconductor.

0 2. a) Modifique su circuito como se muatraen la figura 8-5.

. 43 .(

,

i

..

/

I

I

Thutlllto..., d.-'uto ,. CtI.POi

CR'

NOR'

']

AIociiOlCopio

VERT 'V > t=-

+

Fit. 8..6

0 b) Ajuste el voltaje de la fuente de drenajede ca variable a 10 volts (nns).0 c) .Use el rango de 0.5 volt cd en 'el YOM yajuste la fuente variable de cd hata que VGS =-0.,2 volts. /'

0 d) En la figura 8-4, registre la curva q\leaparece en la pantalla del osciloscopio. A estacurva identifiquela como VGS = -0.2 volts cd.0 e) lQue sucede ala corriente ID de drenajeal hacer neg-citivaa la compuerta?

''''''''''''''''''''''''''''

0 f) l Con cu31 modo de la operacion delFET se relaciona oeste?'

.n ' , , .......

El modo de empobrecimiento.

0 g) Lentamente aumente la polarizaci6n neegativa de cd hasta q\1e la corriente de drenaje cai-ga a cero (ninguna deflexi6h'vertical en el oscilos-copio). Tendri que aumentar el rango del YOM.Mida VGS .en el estrangulamiento:

v, (VQ~J:;:"''''0;'''''''''''' Vccl:',':T!Y'/

ObjetivoC. 'MOs~ i"m~di;' las caracteristicasdel modode~J'IIiqu~ciJlijento de un nansistor decfecto de cani~ metaI-6xid9-scmiconductor.

"

,",''-

0 3.a) Refi~~ase,.,'.. la:0"'fi~a.'8-5 e' invierta la .polaridad delafuente,"'decden el circuito de ,compuem del ¥()SFE!- Tambien invierta la po-laridad del VOM~" "

44

0 b) Ajuste el YOM al rango de 0.5 votted ycuidadosarnente ajuste la fuente de energia de cdhasta que VGS = +0.5 volts.0 c) Registre la curva que aparece en la pan-talla del osciloscopio utilizando la grafica de lafigura 8 4. Marque esta curva como VGS =+0.5Ved.0 d) Aumente el rango del YOM Y ajuste lafuente de energia de manera que VG S = 1.0volt.Registre y marque la curva.

28

24

< 20.5916.';ri 12.0a 8,I

~ 4

0 2 6 8 10 12 14 16 18 204

Voltaje de drenaje.fuente VDS (volts)

Fig. 8-6

CJ e) Ajuste la fuente. de energia para VG-S=+ 1.5 volts.' Registre y marque la curva.0 f) Compare su familia de curvas caraete-ristic~ contra la figura 8-6. De margen para am-plias variaciones entre los MOSFETs del mismotipo.0 g) lQue sucede cuando VG S se hace po-sitivo \

"... ',"','-',"".",

'~,'" ''';':.:~'~r ~,', \ ,":

0 h) lQue modo de operacion repr.es~ta,esto?

0 i) lLos JFETs operan en el modo de::pri:quecimiento? . ",:~ /'

VGS=+1.5VcdI .1 I

VGS-+1Vcd

/ I,llVGS=+O.5Vcd

!' I bVGS

IT VGS=-o.2Vcdy -j II

wI

.

Resumen

'Trtlnsi.tDreI d, ,tectO d, campo

En este experimento de lab oratorio se familiarizocon el transistor de eJecto de campo metal-ox;-do-semiconductor (MOSFET). Primero midio lacorriente de drenaje con polarizacion cero decompuerta bajo condiciones dimimicas. Graficouna curva caracteristica y encontro que el MOS-FET tiene una region ohmica y una I:egion decorriente constante semejante a un J}o'ET. Luegoaplico un voltaje negativo a la compuerta. Vioq~e la corrie~ite de drenaje disminuye al aumentarVG S en direccion negativa. Detennino que eso sedebe a que el canal se agpta de electrones. Uego

a la conclusion de que el MOSFET de canal Nestaba funcionando en e1 modo de empobreci-miento bajo estas condiciones. Tambien midio elvoltaje de estrangwamiento. Finalmente, aplicoun voltaje positivo a la compuerta. Vio que 1a co-rriente de drenaje crece al aUlDentar VGS en ladireccion positiva. Determino que la conduccionde canal se aumenta por elV Gs positivo y Uego ala conclusion de que el MOSFET de canal N fun-cionaba en el modo de enriquecimiento. Graficouna familia de c:urvas caracteristicas para los dis-tintos valores de VGs. V~rific6 que debido a Jacompuerta aislada, se puede construir el MOSFETpara que tenga caracteristicas por igual de modode enriquecimiento yempobrecimiento.

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4S