Universidad Nacional de Colombia. Chaparro Arce. El transistor MOSFET: Caracterizacin y aplicacin de compuertas lgicas

Octubre de 2014

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Abstract The results obtained in the lab No. 7 of analog electronics, led to the characterization and basic

implementation of MOSFET transistors and digital logic

gates are evaluated. In this laboratory measurements of

the characteristics of transistors in an integrated circuit

located performed. From this the main considerations to

take into account when working with mosfet transistors

glimpsed.

Resumen A continuacin se evaluarn los resultados obtenidos en la prctica de laboratorio N 7 de

electrnica anloga, dirigida a la caracterizacin e

implementacin bsica de los transistores Mosfet y las

compuertas lgicas digitales. En este laboratorio se

realizaron las mediciones de las caractersticas de los

transistores ubicados en un circuito integrado. A partir

de esto se vislumbraron las principales consideraciones a

tener en cuenta en el momento de trabajar con

transistores mosfet.

Palabras clave Circuito integrado, transistor mosfet, compuerta lgica, zona de saturacin, zona triodo.

I. OBJETIVOS

Verificar el comportamiento fsico del transistor

MOSFET y algunas aplicaciones.

1. Caracterizar el transistor MOSFET en trminos

de su curva caracterstica.

2. Aplicar las propiedades del transistor

MOSFET en el diseo, implementacin y

verificacin de circuitos lgicos digitales.

II. INTRODUCCIN

El transistor MOSFET (Metal-Oxido-Semiconductor

MOS) es un dispositivo de efecto de campo,

semiconductor compuesto principalmente por dixido

de silicio. Su principal funcin dentro de un circuito es

controlar el paso de corriente a travs del mismo para

amplificar una seal determinada. Las aplicaciones ms

generales del MOSFET se ven reflejadas en la industria

de la telemedicina, ayudando en la medicin de ondas

cerebrales y pulso cardiaco; la implementacin de

circuitos electrnicos digitales por medio de

compuertas lgicas, usados en la industria de la

computacin y la informtica y la amplificacin de

sonido, uso requerido para mltiples aplicaciones

electrnicas que van desde audfonos individuales hasta

grandes y potentes altavoces usados en la industria del

espectculo.

III. MATERIALES

1. 1 Osciloscopio de dos canales.

2. 1 Multmetro Fluke.

3. 1 Fuente Dual.

4. 3 Sondas.

5. Resistencias de [W] (Segn clculos)

6. Transistores MOSFET canal N de

enriquecimiento TC4007.

IV. MARCO TERICO

El transistor de efecto de campo MOSFET es un

dispositivo electrnico usado para amplificar una gran

cantidad de seales elctricas al controlar el paso de

corriente dentro de un circuito determinado. La

composicin del MOSFET consta de 4 terminales

diferentes que representan cada una de las partes

internas del dispositivo; stas son la Source (S), Drain

(D), Gate (G) y Substrate (B); la composicin de cada

una de las partes es un semiconductor dopado que

depende del tipo de MOSFET que se requiera usar. La

terminal B generalmente est conectada internamente

por lo que en el mercado se encuentran los transistores

con 3 terminales. [1]

En la actualidad se encuentran disponibles 2 tipos de

MOSFET, los de enriquecimiento y los de

empobrecimiento. Los transistores de enriquecimiento

funcionan al crear un canal entre las terminales S y D

El transistor MOSFET. Caracterizacin y aplicaciones de compuertas lgicas digitales

Daniel Felipe Chaparro Arce, Cod 2262208

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por medio de una tensin proporcionada a G que regula

la corriente del circuito; su valor depende estrictamente

de la clase de MOSFET, puesto que existen transistores

tipo N y tipo P cuyo nombre se basa en la composicin

del sustrato de B. En la figura 1.a se observa la

composicin de un transistor de enriquecimiento y en

la figura 1.b su representacin grfica [1].

Figura 1: Composicin y simbologa de MOSFET de enriquecimiento. [2]

Por otro lado, en los MOSFET de empobrecimiento ya

est presente el canal para la regulacin de corriente.

Para su control y funcionamiento de conecta una fuente

de tensin en G de tal manera que pueda controlar el

paso de la corriente al cerrar el canal presente entre D

y S y as amplificar una seal proveniente de G. Al

igual que en los transistores de enriquecimiento, el

valor de la fuente en G depende de la composicin del

MOSFET y del tipo de semiconductor del que est

fabricado (Tipo N o tipo P). En la figura 2.a y 2.b se

muestra la composicin y simbologa de un transistor

MOSFET de empobrecimiento tipo N [2].

Figura 2: Composicin y simbologa de MOSFET de enriquecimiento tipo

N. [3] [2]

El funcionamiento del MOSFET depende de la tensin

suministrada por la fuente ubicada en G, encargada de

abrir o cerrar el canal por el que pasa la corriente; para

que esto suceda, la tensin debe ser mayor a un voltaje

umbral (VT) en el caso de los MOSFET de

enriquecimiento y menores en el caso de los de

empobrecimiento; de igual manera VT tendr valores

positivos para los transistores de enriquecimiento tipo

P y para los de empobrecimiento tipo N. El valor ser

negativo en los otros casos. El comportamiento de la

corriente ID en funcin de la tensin VDS de un transistor

de enriquecimiento es muy similar al de

empobrecimiento. En la respectiva grfica (figura 3) de

un transistor de empobrecimiento tipo N se puede

observar la presencia de 3 regiones; la regin triodo, de

saturacin y de corte (ubicada en valores negativos de

ID. [3]

Figura 3: Curva IDvsVDS de un MOSFET de empobrecimiento tipo N. [2]

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Con el nimo de no ahondar ms en la teora que de por

si es muy extensa, tenemos que en la zona de corte la

corriente ID se no tiene ningn valor.

= 0 [2]

Por otro, en la zona de triodo, se comporta de manera

similar a una resistencia. (K es un valor dado por el

fabricante del transistor).

= (( )

2

2)

[2]

La zona de saturacin es la ms importante en estos

momentos para el curso, por esta razn, una de las

frmulas ms importantes ser la de la corriente en

esta zona, dada por.

= ( )2

[2]

Visto desde esta manera, la zona de saturacin en un

transistor tipo N se da cuando.

[5]

Por otro lado, en un transistor tipo P, la zona de

saturacin se presenta cuando.

[5]

V. PROCEDIMIENTO

1. Caracterizacin del transistor MOSFET

usndolo como fuente de corriente Modelo

SCS (Switch Current Source).

En esta parte del laboratorio, se realiz el montaje

propuesto de la figura 5; en el que se utiliz un

transistor MOSFET canal N de enriquecimiento

TC4007 integrado, ilustrado en la figura 4. Para realizar

el respectivo montaje se respondieron las preguntas

propuestas por la gua para mejorar el entendimiento

acerca de la teora.

Figura 4: Caracterizacin MOSFET TC4007 [6]

Figura 5: Configuracin de transistor MOSFET para fuente de corriente [4]

- Qu funcin cumple el diodo dentro de

este circuito?

La funcin del diodo en el circuito propuesto es la de

regular el paso de corriente en una sola direccin; de

este modo, la tensin en VDS ser positiva y el transistor

estar en la zona de saturacin puesto que es tipo N.

- Por qu la fuente alterna debe ser

triangular?

- Para qu se mide la seal en los dos

canales y qu se mide en cada uno de ellos?

Segn la configuracin recomendada en la clase, en el

canal 1 se mide la tensin VDS y en el canal dos. Por

otro lado, en la medicin del canal dos, debido a que no

es posible medir con el osciloscopio la corriente ID se

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mide la tensin en la resistencia de carga para

vislumbrar la corriente.

- Por qu se tiene un potencimetro antes

del Gate, cul es su funcin?

Segn la configuracin propuesta de la figura 5, el valor

de VGS depende de las resistencias conectadas en G por

lo que S est conectado y representa la tierra. De esta

manera, cuando la resistencia vare, el voltaje tambin

lo har, considerando que siempre se encuentra en la

zona de saturacin.

- Cmo se puede caracterizar el transistor

MOSFET mediante el uso de este circuito?

En primer lugar para caracterizar un transistor

MOSFET es necesario conocer tres variables; k, Rds y

VT. Para el transistor usado, se sabe que es necesario

que VGS > VT para que el canal exista y se genere una

corriente ID. Por lo tanto, la tensin VT se obtendr al

variar las diferentes tensiones en G hasta que se

vislumbre que el transistor comienza a funcionar; por

otro lado, para obtener K es necesario medir la corriente

ID de algn punto y por medio de la ecuacin

caracterstica es posible hallar K. De igual manera se

halla Rds partiendo la pendiente en la grfica de la

figura 3 concerniente al experimento.

- Qu forma tendr la curva caracterstica

del transistor (ID vs VDS)?

La curva ser muy similar a la presentada en la figura

3, caractersticas de los MOSFET.

Al tener claros los anteriores interrogantes, se procedi

a realizar el montaje y apreciar la grfica de ID vs VDS

del transistor, arrojando como resultado la grfica de la

figura 6. Cabe aclarar que para obtener la curva

caracterstica del transistor es necesario invertir el canal

2, por lo que la grfica obtenida por el osciloscopio es

inversa a la esperada, esto debido a la polaridad en que

est conectado el circuito. Por esta razn es posible

decir que los resultados obtenidos son los esperados.

Figura 6: Curva caracterstica del transistor invertida

Luego de variar la tensin G, se encontr que a

aproximadamente 1.7V se creaba el canal porque a ese

valor comenz a fluir corriente por el circuito. De esta

manera y para efector prcticos VT=1.7V.

Segn lo propuesto en la gua de laboratorio, se

procedi a obtener la curva caracterstica del transistor

para 5 distintos valores de VGS, teniendo en cuenta su

respectiva corriente hallada gracias al valor la

resistencia de salida (100) y su respectiva corriente medida con un multmetro. Al realizar este

procedimiento se obtuvieron las grficas concernientes

a las figura 7.a, 7.b, 7.c, 7.d y 7.e; de igual manera,

luego de realizar las mediciones y los clculos

correspondientes, se obtuvieron los valores de la tabla

1.

Figura 7.a: Curva caracterstica del transistor con VGS=5.17V.

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Figura 7.b: Curva caracterstica del transistor con VGS=7.48V.

Figura 7.c: Curva caracterstica del transistor con VGS=10V.

Figura 7.d: Curva caracterstica del transistor con VGS=12.1V.

Figura 7.e: Curva caracterstica del transistor con VGS=14.75V.

Medicin VGS [V] V100 [V] ID [mA]

a. 5.17 0.39 3.9

b. 7.48 1.1 11

c. 10 1.9 19

d. 12.1 2 20

e. 14.75 2.2 22 Tabla 1: Resultados primera parte del laboratorio

Al tener las mediciones dadas, se procedi a hallar el

valor de K, este valor se hall usando los datos

obtenidos en la medicin c de la siguiente manera.

=

( )2= 275.8 [

2]

Para finalizar la primera parte de la prctica, se hall el

valor concerniente a la resistencia Rds partiendo de la

pendiente obtenida en la grfica de la medicin c,

estudiada de manera autnoma. Luego de esto se

obtuvo que.

=100 1

1.5 1.25= 400

2. El MOSFET como un Switch Modelo S

En la segunda parte de la prctica de laboratorio se

usaron distintas configuraciones de compuertas lgicas

digitales. Previo a la prctica, se investigaron los

diferentes tipos de compuertas (NMOS, PMOS,

CMOS) y se logr evidenciar que la mejor opcin para

llevar a la prctica son las compuertas CMOS. Esta

consideracin se bas en la exactitud de sus mediciones

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debido a que los cambios de resistencia no producen

que la salida difiera en gran medida.

Segn los circuitos propuestos en la gua, concernientes

a las figuras 8 y 9 (OR, NOT), luego de un proceso de

anlisis se encontr que las tablas de verdad de los

circuitos son las correspondientes a las tablas 2 y 3

respectivamente.

Figura 8: Circuito lgico 1 [4]

Figura 9: Circuito lgico 2 [4]

Tablas 2 y 3: Tablas de verdad circuitos lgicos propuestos

De igual manera para la tabla de verdad propuesta en la

gua correspondiente a la tabla 4, se encontr que la

compuerta usada para poder obtener los datos se

denomina NAND, ilustrada en las simulaciones.

Tabla 4: Tabla de verdad propuesta [4]

Luego de realizar las respectivas comparaciones acerca

del comportamiento de los circuitos NAND, NOR y

NOT se procedi a realizar diferentes combinaciones

hasta obtener las compuertas AND y OR, encontradas

al negar las NAND y la NOR y representadas en las

figuras de las simulaciones.

Para finalizar esta parte del laboratorio, se procedi a

realizar el montaje del circuito inversor. Luego de

observar su comportamiento se obtuvo la funcin de

transferencia representada en la figura 10, teniendo en

cuenta que se us una tensin de polarizacin VDD=5V.

Figura 10: Funcin de transferencia inversor MOSFET

Al realizar los clculos requeridos para hallar los

valores requeridos por la prctica, se encontr que:

0

4.87

1.77

2.75

Segn los resultados obtenidos, se puede apreciar su

semejanza con los datos respectivos del datasheet del

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dispositivo, lo que corrobora la veracidad de los datos

obtenidos por el laboratorio. [6]

3. El Mosfet en la regin triodo Modelo SR

Al analizar el inversor MOSFET de la seccin anterior,

con valores de resistencias de Ron=40 y Roff=5M. Al usar el valor de 40, el transistor acta en forma de corto circuito, de manera que es posible afirmar que:

=40 5

100000 + 40= 0.002

Al considerar un transistor ideal, se puede vislumbrar

que la tensin de salida es de 0V. Anlogamente, al

considerar la resistencia de 5M es posible concluir que para un transistor ideal, la tensin de salida ser de

5V, en el caso de nuestro circuito, entonces:

=5 5(106)

100(103) + 5(106)= 4.9

Luego de esto se busc determinar las resistencias ON

y OFF. Para esto, se procedi a medir la tensin de

salida al usar un voltaje de entrada de 5V, lo que

produjo una tensin de salida de 2.23V. Teniendo este

valor se tiene que:

=5 2.23

2(103)= 1.385

Al tener la corriente de salida, es posible calcular Ron,

por medio de:

=2.23

1.385(103)= 1610.1

Para finalizar el laboratorio, se procedi a usar una

resistencia de 10G , lo cual arroj una tensin de salida de aproximadamente 3V, por lo que se tendra

que:

=3

= 15

Nota: En este clculo en particular se me presentaron

algunos problemas, por lo que los resultados podran

variar de los reales.

VI. SIMULACIONES

Figura 11: Simulacin de circuito en configuracin de transistor

MOFSFET como fuente de corriente

Figura 12: Grfica correspondiente al circuito de MOSFET como fuente de

corriente

Figura 13: Simulacin de circuito inversor con transistor NMOS

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Figura 14: Grfica correspondiente a curva de transferencia circuito

inversor

Figura 15: Simulacin de compuerta lgica NAND con transistores

MOSFET

Figura 16: Grfica correspondiente a respuesta del circuito NAND

Figura 17: Simulacin de compuerta lgica OR con transistores MOSFET

Figura 18: Grfica correspondiente a respuesta de circuito OR

VII. CONCLUSIONES

- Los transistores MOSFET representan un

elemento indispensable en el desarrollo de la

electrnica; sus aplicaciones, ya sea en la

utilizacin de fuentes de corriente o en la

creacin de compuertas lgicas digitales

facilitan en gran medida el diseo y la

construccin de una gran variedad de artefactos

tecnolgicos que facilitan la vida del ser

humano.

- Como se pudo observar en el desarrollo de la

prctica, los resultados experimentales difieren

con respecto a los valores previstos por medio

de la teora. Ms an debido a la fragilidad de

los transistores en cuanto a manejo se refiere;

de esta manera, entre mejor sea la

manipulacin de los dispositivos, mejor sern

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los resultados obtenidos y se acercarn ms a

los esperados por medio de la teora.

- Las aplicaciones de los transistores MOSFET

representan una gran ayuda en la vida de los

seres humanos; elementos como los

amplificadores de sonido, usados por la gran

mayora de humanos en el planeta son el

ejemplo ms claro de aplicacin de este tipo de

dispositivos; de esta manera la variacin de

corriente en forma de seal es uno de los

procesos ms importantes en la electrnica.

VIII. BIBLIOGRAFA

[1] R. L. Boylestad. Electrnica: Teora de Circuitos y

Dispositivos Electrnicos. 10rd ed. Pearson Educarion.

New York, 2009.

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Traduccin, Navarro Salas. US: Universidad de

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compuertas lgicas digitales. Bogot, Colombia:

Universidad Nacional de Colombia, Electrnica

anloga 1. 2014 II.

[5] Chaparro A. Daniel F. Notas de clase Electrnica

Anloga I. Profesor Pablo Rodrguez. Universidad

Nacional de Colombia. Bogot, Colombia. 2014 III.

[6] Electronic Components Datasheets Search.

Datasheet CD4007CN. USA. 2014. Consultado en