INFORME DE LABORATORIO ACERCA DEL TRANSISTOR MOSFET Universidad Nacional de Chimborazo Facultad de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones. V.E Andrade, Miembro de grupo, IEEE, A.P Paucar Miembro de grupo, IEEE, B.L Rodríguez, Miembro de grupo, IEEE Abst Abstract racto:
Los transistores Mosfet constituyen un elemento fundamental en multitud de aplicaciones los problemas que vienen presentando los transistores bipolares o BJT, como son la corriente que soportan y la dependencia de la temperatura a la que se ven sometidos, unas veces por su emplazamiento, otras por un mal trazado y la más evidente, el efecto llamado de avalancha. Estas evidencias, han llevado a que se sustituyan por otros transistores más avanzados, hasta la llegada de los MOSFET. Las ventajas que presentan este tipo de transistor, han llevado a que ocupen un lugar importante dentro de la industria, desplazando a los BJT a otros fines. Los MOSFET de potencia son muy populares para aplicaciones de baja tensión, baja potencia y conmutación resistiva en altas frecuencias, como fuentes de alimentación conmutadas, motores sin escobillas y aplicaciones como robótica, CNC y electrodomésticos
I.
PALABRAS CLAVES
Mosfet, Polarización.
Semiconductor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) se debe a la constitución del propio transistor.
Ilustración 1 Transistor Mosfet
LA ESTRUCTURA MOS. La estructura MOS está compuesta de dos terminales y tres capas: Un Substrato de silicio, puro o poco dopado p o n, sobre el cual se genera una capa de Oxido de Silicio (SiO2) que, posee características dieléctricas o aislantes, lo que presenta una alta impedancia de entrada. Por último, sobre esta capa, se coloca una capa de Metal (Aluminio o polisilicio), que posee características características conductoras. conductoras. En la parte inferior se coloca un contacto óhmico, en contacto con la capsula, como se ve en la figura.
II. INTRODUCCIÓN Este es un transistor cuyo funcionamiento no se basa en uniones PN, como el transistor bipolar, ya que en éste, el movimiento de carga se produce exclusivamente por la existencia de campos eléctricos en el interior del dispositivo. Este tipo de transistores se conocen como, efecto de campo JFET (del inglés, Juntion Field Effect Transistor). El transistor MOSFET, como veremos, está basado en la estructura MOS. En los MOSFET de enriquecimiento, una diferencia de tensión entre el electrodo de la Puerta y el substrato induce un canal conductor entre los contactos de Drenador y Surtidor, gracias al efecto de campo. El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal, que también es conocida como la zona de inversión.
III. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Transistor Mosfet Un MOSFET es un dispositivo semiconductor utilizado para la conmutación y amplificación de señales. El nombre completo, Transistor de Efecto de Campo de Metal-Óxido-
Ilustración 2 Estructura MOS
La estructura MOS, actúa como un condensador de placas paralelas en el que G y B son las placas y el óxido, el el aislante. De este modo, cuando VGB=0, la carga acumulada es cero y la distribución de portadores es aleatoria y se corresponde al estado de equilibrio en el semiconductor. Cuando VGB>0, aparece un campo eléctrico entre los terminales de Puerta y substrato. La región semiconductora p responde creando una región de empobrecimiento de cargas libres p+ (zona de deplexión), al igual que ocurriera en la región P de una unión PN cuando estaba polarizada negativamente. Esta región de iones negativos, se incrementa con VGB.
Al llegar a la región de VGB, los iones presentes en la zona semiconductora de empobrecimiento, no pueden compensar el campo eléctrico y se provoca la acumulación de cargas negativas libres (e – ) atraídos por el terminal positivo. Se dice entonces que la estructura ha pasado de estar en inversión débil a inversión fuerte. El proceso de inversión se identifica con el cambio de polaridad del substrato, debajo de la región de Puerta. En inversión fuerte, se forma así un CANAL de e – libres, en las proximidades del terminal de Puerta (Gate) y de huecos p+ en el extremo de la Puerta. La intensidad de Puerta IG, es cero puesto que, en continua se comporta como un condensador (GB). Por lo tanto, podemos decir que, la impedancia desde la Puerta al substrato es prácticamente infinita e IG=0 siempre en estática. Básicamente, la estructura MOS permite crear una densidad de portadores libres suficiente para sustentar una corriente eléctrica.
MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO DE CANAL N. Bajo el terminal de Puerta existe una capa de óxido (SiO2) que impide prácticamente el paso de corriente a su través; por lo que, el control de puerta se establece en forma de tensión. La calidad y estabilidad con que es posible fabricar estas finas capas de óxido es la principal causa del éxito alcanzado con este transistor, siendo actualmente el dispositivo más utilizado.
muy rica en electrones, denominada canal N, que permite el paso de corriente de la Fuente al Drenador. Cuanto mayor sea la tensión de Puerta (Gate) 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 positiva en el Drenador (Drain) respecto a la tensión de la Fuente (Source). En un MOSFET tipo P, el funcionamiento es a la inversa, ya que los portadores son huecos (cargas de valor positivas, 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 son atraídos hacia la superficie bajo la capa de 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 Drenador una tensión negativa respecto al terminal de Fuente. La corriente tiene sentido opuesto a la de un MOSFET tipo N.
Además, este transistor ocupa un menor volumen que el BJT, lo que permite una mayor densidad de integración. Comencemos con la estructura básica del MOSFET, seguido de sus símbolos. Se trata de una estructura MOS, de cuatro terminales, en la que el substrato semiconductor es de tipo p poco dopado. A ambos lados de la interfase Oxido-Semiconductor se han practicado difusiones de material n, fuertemente dopado (n+).
Ilustración 3 Estructura MOSFET de canal N
Cuando se aplica una tensión positiva al terminal de puerta de un MOSFET de tipo N, se crea un campo eléctrico bajo la capa de óxido que incide perpendicularmente sobre la superficie del semiconductor P. Este campo, atrae a los electrones hacia la superficie, bajo la capa de óxido, repeliendo los huecos hacia el sustrato. Si el campo eléctrico es muy intenso se logra crear en dicha superficie una región
Ilustración 4 Funcionamiento MOSFET
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.
El transistor MOS es simétrico: los terminales de Fuente y Drenador son intercambiables entre sí. En el MOSFET tipo N el terminal de mayor tensión actúa de Drenador (recoge los electrones), siendo el de menor tensión en el tipo P (recoge los huecos). A modo de resumen, la figura anterior, muestra el funcionamiento de un transistor MOS tipo N de enriquecimiento. El símbolo más utilizado para su representación a nivel de circuito se muestra en la figura siguiente. La flecha en el terminal de Fuente (Gate) nos informa sobre el sentido de la corriente.
3) La tensión VGS>>0, da lugar a la inversión del canal y genera una población de e – libres, debajo del óxido de Puerta y p+ al fondo del substrato. Se forma el CANAL N o canal de electrones, entre el Drenador y la Fuente (tipo n+) que, modifica las características eléctricas originales del sustrato. Estos electrones, son cargas libres, de modo que, en presencia de un campo eléctrico lateral, podrían verse acelerados hacia Drenador o Surtidor. Sin embargo, existe un valor mínimo de VGS para que el número de electrones, sea suficiente para alimentar esa corriente, es VT, denominada TENSIÓN UMBRAL (en algunos tratados se denomina VTH). Por lo tanto, se pueden diferenciar dos zonas de operación para valores de VGS positivos: – Si
Ilustración 5 Simbologia MOSFET
VGS< VT la intensidad IDS=0 (en realidad sólo es aproximadamente cero) y decimos que el transistor opera en inversión débil. En ella, las corrientes son muy pequeñas y su utilización se enmarca en contextos de muy bajo consumo de potencia. Se considerará que la corriente es siempre cero. De otro lado;
– Si VGS>=VT, entonces IDS es distinto de cero, si VDS es
En la estructura MOS de la siguiente figura, aparecen diversas fuentes de tensión polarizando los distintos terminales: VGS, VDS. Los terminales de substrato (B) y Fuente (S) se han conectado a GND. De este modo, VSB=0 (tensión Surtidorsustrato=0) , se dice que no existe efecto substrato.
no nulo. Se dice que el transistor opera en inversión fuerte. Cuanto mayor sea el valor de VGS, mayor será la concentración de cargas libres en el canal y por tanto, será superior la corriente IDS.
REGIONES DE OPERACIÓN. Cuando ya existe canal inducido y VDS va aumentando, el canal se contrae en el lado del Drenador, ya que la diferencia de potencial Puerta-canal es en ese punto, más baja y la zona de transición más ancha. Es decir, siempre que exista canal estaremos en región óhmica y el dispositivo presentará baja resistencia.
Ilustración 6 Estructura MOS polarizada
Según los valores que tome la tensión VGS, se pueden considerar tres casos:
1) VGS=0. Esta condición implica que VGS=0, puesto que VSB=0. En estas condiciones, no existe efecto campo y no se crea el canal de e – , debajo de la Puerta. Las dos estructuras PN se encuentran cortadas (B al terminal más negativo) y aisladas. IDS=0 aproximadamente, pues se alimenta de las intensidades inversas de saturación. 2) La tensión VGS>0 , se crea la zona de empobrecimiento o deplexión en el canal. Se genera una carga eléctrica negativa e – en el canal, debido a los iones negativos de la red cristalina (similar al de una unión PN polarizada en la región inversa), dando lugar a la situación de inversión débil anteriormente citada. La aplicación de un campo eléctrico lateral VDS>0, no puede generar corriente eléctrica IDS.
Ilustración 7 Regiones de Operación
La operación de un transistor MOSFET se puede dividir en tres regiones de operación diferentes, dependiendo de las tensiones en sus terminales. Para un transistor MOSFET N de enriquecimiento se tienen las siguientes regiones: región de corte, región óhmica y región de saturación.
REGIÓN DE CORTE. El transistor estará en esta región, cuando VGS < Vt. En estas condiciones el transistor MOSFET, equivale eléctricamente a un circuito abierto, entre los terminales del DrenadorSurtidor. De acuerdo con el modelo básico del transistor, en esta región, el dispositivo se encuentra apagado. No hay
conducción entre Drenador y Surtidor, de modo que el MOSFET se comporta como un interruptor abierto.
actuar como una resistencia o como una fuente de corriente. El uso principal está en la zona óhmica.
REGIÓN ÓHMICA.
REGIÓN DE RUPTURA.
Cuando un MOSFET está polarizado en la región óhmica, el valor de RDS (on) viene dado por la expresión:
Esta zona apenas se utiliza porque el transistor MOSFET pierde sus propiedades semiconductoras y se puede llegar a romper el componente físico. La palabra ruptura hace referencia a que se rompe la unión semiconductora de la parte del terminal del drenador.
VDS (on) = ID(on) x RDS(on) En casi todas las hojas de datos, asocian el valor de RDS(on) a una corriente de Drenaje (ID) específica y el voltaje PuertaSurtidor. Así mismo, el transistor estará en la región óhmica, cuando VGS > Vt y VDS < ( VGS – Vt ). El MOSFET equivale a una resistencia variable conectada entre el Drenador y Surtidor. El valor de esta resistencia varía dependiendo del valor que tenga la tensión entre la Puerta y el Surtidor (VGS).
REGIÓN DE SATURACIÓN. El transistor MOSFET entra en esta zona de funcionamiento cuando la tensión entre el Drenador y el Surtidor (VDS) supera un valor fijo denominado tensión de saturación (Vds sat) Drenador-Surtidor; este valor viene determinado en las hojas características proporcionadas por el fabricante. En esta zona, el MOSFET mantiene constante su corriente de Drenador (ID), independientemente del valor de tensión que haya entre el Drenador y el Surtidor (VDS). Por lo tanto, el transistor equivale a un generador de corriente continua de valor ID. Es decir; el MOSFET estará en esta región, cuando VGS > Vt y VDS > ( VGS – Vt ). Cuando la tensión entre Drenador y Fuente supera cierto límite, el canal de conducción, bajo la Puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del Drenador y desaparece. La corriente entre Fuente y Drenador no se interrumpe, es debido al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.
Máxima Tensión Puerta-Fuente. La delgada capa de dióxido de silicio en el MOSFET funciona como aislante, el cual, impide el paso de corriente de Puerta, tanto para tensiones de Puerta negativas como positivas. Muchos MOSFET están protegidos con diodos zener internos, en paralelo con la Puerta y la Fuente. La tensión del zener, es menor que la tensión Puerta-Fuente que soporta el MOSFET VGS(Max). Zona Óhmica. El MOSFET es un dispositivo de conmutación, por lo que evitaremos, en lo posible, polarizarlo en la zona activa. La tensión de entrada típica tomará un valor bajo o alto. La tensión baja es 0 V, y la tensión alta es VGS(on), especificado en hojas de características. Drenador-Fuente en resistencia. Cuando un MOSFET de enriquecimiento se polariza en la zona activa, es equivalente a una resistencia de RDS(on), especificada en hojas de características. En la curva característica existe un punto Qtest en la zona óhmica. En este punto, ID(on) y VDS(on) están determinados, con los cuales se calcula RDS(on). POLARIZACIÓN DE MOSFET. Los circuitos de polarización típicos para MOSFET enriquecido, son similares al circuito de polarización utilizada para JFET. La principal diferencia entre ambos es el hecho de que el MOSFET de enriquecimiento típico sólo permite puntos de funcionamiento con valor positivo de VGS para canal n y valor negativo de VGS para el canal p. Para tener un valor positivo de VGS de canal n y el valor negativo de VGS de canal p, es adecuado un circuito de auto polarización. Por lo tanto hablamos de recorte de realimentación y circuito divisor de tensión para mejorar el tipo MOSFET.
REALIMENTACIÓN, CIRCUITO DE POLARIZACIÓN. La siguiente figura, muestra el circuito de polarización con realimentación típico para MOSFET canal n de enriquecimiento. Ilustración 8 Funcionamiento MOSFET
En la ilustración anterior, la parte casi vertical corresponde a la zona óhmica, y la parte casi horizontal corresponde a la zona activa. El MOSFET de enriquecimiento, puede funcionar en cualquiera de ellas. En otras palabras, puede Ilustración 9 Polarización MOSFET
Para el análisis en corriente continua, podemos reemplazar el condensador de acoplamiento por circuitos abiertos y también reemplazar el resistor RG por su equivalente en corto circuito, ya que IG = 0. La ilustración, también muestra, el circuito simplificado, para el análisis con recorte de realimentación CC. Como los terminales de Drenaje y Puerta están en cortocircuito.
Ítem 1
IV. MATERIALES UTILIZADOS Cantidad Material Descripción 1
2
3
1
Transistor Mosfet Resistores
304 Conjunto de resistencias a partir del rango de K Ω
Potenciómetro
10k
VI. RESULTADOS Datos Obtenidos
DATOS FIJOS IS 3,21 mA ID 3,37 mA IG 0
2,76 V 0,57 V 2,39 V
Tabla 2. Datos Obtenidos
VGS
0
VDS(V) -0,5 -1 -2 -3
ID 0,72 mA 8,4 mA 9,7 mA 10,2 mA
Tabla 3. Datos Obtenidos
VGS
-1
Tabla 1. Materiales para la práctica
VDS -0,5 -1 -2 -3
ID 3,5 mA 5,4 mA 5,01 nA 5,3 mA
Tabla 4. Datos Obtenidos
V. PROCEDIMIENTO
1.) Implemente la configuración con MOSFET Y determine las corrientes y voltajes necesarios para el trazo de su gráfica.
VDS VGS VGD
VGS
-2
VDS(V) -0,5 -1 -2 -3
ID 8 ɥA 1,05 mA 1,81 mA 2,09 nA
Tabla 5. Datos Obtenidos
VGS
-3
Ilustración 10 Circuito Montado
ID 0,40 ɥA 1,03 ɥA 1,89 ɥA 25,75 ɥA
Tabla 6. Datos Obtenidos Tabla 7. Datos Obtenidos
VGS
-4
Ilustración 11 Circuito Simulado en Proteus
VDS(V) -0,5 -1 -2 -3
VGS 0 -1 -2 -3 -4
VDS(V) -0,5 -1 -2 -3
ID 10,54 mA 5,31 mA 2,07 mA 24 ɥA 30 mA
ID 10 nA 23 nA 29 mA 30 nA
IDSS 10,54 mA 5,35 mA 2,07 mA 24 ɥA 30 mA
Tabla 8. Datos Obtenidos Nota: los datos correspondientes se encuentran en el
ítem de resultados
VDS -16 mV -7 mV -1,0 V -125 nV -310 nV
Circuito de polarización con FET con divisor de tensión.
IX. CONCLUSIONES El Mosfet gracias a su gran velocidad de conmutación presenta una gran versatilidad de trabajo; esté puede reemplazar dispositivos como el jfet. Los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia esto es una gran ventaja ya que pueden ser utilizados en una gran gama de aplicaciones
Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos. Gracias a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es controlada por la tensión aplicada a la compuerta Con los resultados obtenidos en el laboratorio pudimos graficar los diversos parámetros de un MOSFET y ver la manera en la que cada una de ellas se comporta.
IX. BIBLIOGRAFÍA
Libro Electrónica Básica, Suares Espinas, Ediccion 1, 2009. Sistemas Digitales, Ronald Tocci. http://www.national.com - datasheet del transistor npn y pnp Análisis de Circuitos en Ingeniería, Willian Hayt, Editorial Mc Graw Hill, Edición séptima, 2007. SEDRA, Adel; SMITH, Kenneth. Circuitos Microelectrónicos. 5ª Ed. McGraw HIll. Mexico 2006 Datasheet Amplificador LM741
X. BIOGRAFIA Mi nombre es Valeria Andrade nací el 20 de Abril del año 1997 en la ciudad de Riobamba, mis estudios es colares los realice en la Unidad Educativa Nuestra Señora de Fátima posteriormente culmine mis estudios secundarios en el año 2015 en la Unidad Educativa Isabel de Godin en el cual obtuve el título de bachiller técnico en Contabilidad actualmente estoy cursando el cuarto semestre de la carrera de Ingeniería Electrónica Y telecomunicaciones en la Universidad Nacional de Chimborazo. Mi nombre es Boris nací el 11 de Agosto de 1996. Realice mis estudios secundarios en la Unidad Educativa José Peralta obteniendo el título de bachiller en ciencias en el año 2014. En la actualidad sigo forjando mis estudios en la Universidad Nacional de Chimborazo. Entre mis intereses está cultivar una mentalidad objetiva y centrada en los propósitos planteados.
Nací en la cuidad de Riobamba provincia de Chimborazo termine mis estudios de primaria en la escuela “San Cristóbal “empecé mis estudios secundarios el ITES “Carlos Cisneros” y actualmente
sigo mis estudios en la carrera de Electrónica y Telecomunicaciones en la Universidad Nacional de Chimborazo, mi visión a futuro es graduarme en esta carrera y posteriormente seguir estudiando para obtener una maestría o un PhD para mediante esto contribuir con el avance tecnológico en nuestro país.
