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Mosfet Jfet

  1. 1. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRONICA I - LABORATORIO 7. 1 ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO DEL MOSFET Y EL JFET Luis Felipe De La Hoz Cubas, María Ilse Dovale Pérez y Michael Forero Naizir División de Ingeniería Electrónica Universidad del Norte Barranquilla Abstract— En el siguiente informe se tiene como objetivo terminales drenador y fuente, y roturas en la capa de óxido principal el funcionamiento basico de dos de los transistores no de la compuerta que pueden dañar irreversiblemente al de efecto de campo existentes actualmente en el mercado: el dispositivo. MOSFET y el JFET, es necesario analizar las condiciones particulares de cada uno para saber en que momento trabajan es sus diferentes regiones para veri car con detalle que ocurre en cada una de ellas. Siguiendo con el JFET se debe tener en cuenta lo siguiente: En la región de corte la intensidad entre drenador y fuente I. INTRODUCCION es nula (ID = 0). C OMO ya es de saberse existen dos tipos de transistores los BJT estudiados anteriormente y los MOSFET en los que se centrara esta práctica, Los transistores MOSFET o de En este caso, la tensión entre compuerta y fuente es su - cientemente negativa que las zonas de inversión bloquean y quot;estrangulanquot; el canal cortando la corriente entre drenador y efecto de campo han desplazado un poco a los BJT, y aunque fuente. En el datasheet se denomina a esta tensión como de ambos ofrecen características y areás de aplicación unicas el estrangulamiento o pinch-off y se representa por VGS (off) o MOSFET es más utilizado en el diseño de circuitos integrados, V p. los cuales son fabricados en un solo chip de silicio. En forma general, comparados con los BJT, los transistores MOS ocupan En la región triodo el JFET se comporta como una resisten- menos espacio, es decir, dentro de un circuito integrado puede cia no lineal que es utilizada en muchas aplicaciones donde incorporase un numero mayor de estos. se precise una resistencia variable controlada por tensión. En este caso VGS > V p, por lo tanto VGS V p VDS II. TRANSISTORES MOSFET VS JFET Al igual que en el transistor MOSFET, en este caso también existe la region de saturación, en esta región, de De una forma breve se explicarán las regiones de operacion similares características que un BJT en la región lineal, el en las que trabaja un MOSFET y un JFET, cuáles son JFET tiene unas características lineales que son utilizadas las características principales de cada una de ellas y qué para la ampli cación, en este caso se comporta como una condiciones deben establecer en el transistor para que opere fuente de corriente controlada por la tensión VGS cuya ID en dichas regiones. Sabiendo a priori que en los transistores es prácticamente independiente del voltaje VDS , en este caso MOS se de nen las mismas regiones de operación que en las entonces VDS VGS V p , donde V p es el voltaje de del JFET: corte, triodo, saturación y ruptura. estrangulamiento. Comenzando por el MOSFET se debe tener en cuenta lo siguiente: En la región de corte se veri ca que VGS < V t y la Finalmente y como en el caso anterior la región de ruptura corriente ID es nula. en los transistores JFET se produce por tensión alta sus En la región de triodo el transistor se comporta como un terminales, esto puede producir la ya mencionada ruptura por elemento resistivo no lineal controlado por tensión. avalancha a través de la unión de puerta. Las especi caciones En la región de saturación y la más importante si se trata de los fabricantes indican la tensión de ruptura entre drenaje y de ampli cación el transistor se comporta como una fuente fuente con la puerta cortocircuitada con la fuente; esta tensión de corriente controlada por la tensión VGS : En esté caso la se designa por BV DSS y su valor está comprendido entra 20 corriente permanece bastante constante y el transistor opera y 50V: muy bien. En los transistores MOSFET también se puede ver una A continuación se puede observar una gra ca de compara- región más llamada ruptura en este caso el transistor MOS ción de las curvas características de ambos transistores: puede verse afectado por fenómenos de avalancha en los
  2. 2. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRONICA I - LABORATORIO 7. 2 del canal y la corriente que lo atraviesa permanece constante al valor alcanzado para vDS = vGS V t, es entonces cuando el transistor entra a la región de saturación. Por último cabe resaltar que el voltaje de umbral de en un transistor MOSFET es un valor que resalta a la hora de diseñar Fig1: Comparación de las curvas caracteristicas de los JFET un circuito„ esto es debido a que las regiones de operación vs MOSFET están directamente relacionadas con este valor, entonces, si no se tiene en cuenta no se podría asegurar la región de operación del transistor. Experimentalmente, se puede obtener este valor Cabe resaltar que las diferencias mas importantes entre los con la ayuda del multímetro, en la escala de diodo, midiendo transistores MOSFET y JFET son las siguientes: ente la compuerta y los otros pines. JFET La polarización de un JFET (Junction Field-Effect Transis- El procedimiento se realizó utilizando la siguiente tor) exige que las uniones pn estén inversamente polarizadas, metodología: para un JFET de canal N, el voltaje del drenaje debe ser mayor que el voltaje de la fuente para que exista un ujo de corriente a través del canal, además la el voltaje de compuerta debe ser En la primera experiencia se montó el circuito de la sigu- mas negativo que el de la fuente para que la unión pn se iente gura con el cual se analizó el comportamiento de un encuentre polarizada inversamente. transistor MOSFET y sus regiones de funcionamiento, para Las curvas del JFET son muy parecidas a las de los transis- esto vDS se jó a un valor de 0.2V y vGS con un valor inicial tores bipolares, con la diferencia que los JFET son controlados de 0V y aumentado solo hasta 5V , para no comprometer asi por tensión, mientras que los bipolares por corriente la integridad del transistor. MOSFET Los transistores MOSFET (Metal-Oxido-Semiconductor) son dispositivos de efecto de campo, al igual que los JFET, que utilizan un campo eléctrico para crear un canal de conducción. Son dispositivos más importantes que los JFET ya que la mayor parte de los circuitos integrados digitales se construyen con la tecnología MOS. Al igual que los JFET existen dos tipos de transistores MOS, los P-MOS Y LOS N-MOS Fig2: Circuito Montado Los transistores JFET y MOSFET tienen una estructura física muy diferente, pero sus ecuaciones analíticas soy muy similares, por esto los transistores MOS tienen las mismas regiones de operación que los JFET Los voltajes y corrientes medidos se pueden observar en la siguiente tabla y la grá ca obtenida fue de forma similar a la Es de gran importancia saber en qué consiste el efecto estudiada de forma teórica. de modulación de longitud del canal como bien sabemos la corriente de del drenaje es proporcional al cociente entre el ancho del canal W y su longitud L, de esta forma como diseñadores se pueden seleccionar los estos valores, para obtener determinadas curvas características i v. Para valores mayores de vDS la corriente del drenaje aumenta cada vez más lentamente; esto se debe a que el extremo del canal más próximo al drenaje se halla polarizado en inversa a causa de la fuente de tensión vDS A medida que vDS aumenta el canal se alarga más y su resistencia aumenta de manera correspondiente, por tanto la Tabla1: Cambios en la corriente debido a variaciones en el característica iD vDS no continúa como recta si no que se voltaje de compuerta para el MOSFET curva, entonces cuando vDS llega al valor de V t que reduce el voltaje entre compuerta y canal en el extremo del drenaje, la profundidad del canal en el extremo del drenaje disminuye casi a cero y se dice que el canal está estrangulado; el aumento de vDS más allá de este valor tiene poco efecto en la forma
  3. 3. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRONICA I - LABORATORIO 7. 3 Tabla3: Cambios en la corriente debido a variaciones en el voltaje de compuerta para el JFET De igual forma se identi có la relacion existente entre el voltaje entre drenaje y fuente y la corriente de drenaje cuando permanece a un valor de compuerta jo. Para diferentes valores de compuerta, se variaó el voltaje entre drenaje y fuente, y se midió la corriente de drenaje para cada caso, veamos a continuación la grá ca: Fig3: Grá ca de voltaje de compuerta contra corriente de drenaje. Posteriormente a esto se realizaron una mediciones con unos voltajes de compuerta jos, y cambios en el voltaje de drenaje, el voltaje de drenaje se vario de 0 a 5V con incrementos de 0.5V, la tabla resultante fue la siguiente Tabla4: Cambios en la corriente debido a variaciones en el voltaje de drenaje fuente para determinados valores de voltaje de compuerta para el JFET Por último se realizó el ANALISIS DEL CIRCUITO DE POLARIZACION: En este procedimiento se trabaja con la gura mostrada a Tabla2: Cambios de corriente debido a variaciones den el continuación, ya que representa un circuito de polarización de voltaje de drenaje fuente para determinados valores de un MOSFET cuando se utiliza una fuente de alimentación. Lo voltaje de compuerta para el MOSFET cual se le aplica un voltaje de polarización de vGS = 15V , con unas resistencias de Rg1 = 1M , Rg2 = 1M ; Rd = Con el JFET se hizo algo similar pero a causa de sus 4:7K ; Rs = 5:304K :se mide los voltajes en cada terminal características, para observar su comportamiento el voltaje en que se muestran respectivamente escritos en la siguiente tabla. la compuerta tuvo un valor inicial de 0V con decrementos de 0.2V hasta -1.4V, veamos a continuación los valores obtenidos: En la columna donde están los datos medidos fueron los valores obtenidos en el laboratorio, por consiguiente en la otra columna en los datos calculados se puso los valores hechos y calculados asumiendo un voltaje vDS igual a la tercera parte del voltaje de alimentación, los datos obtenidos fueron los siguientes:
  4. 4. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRONICA I - LABORATORIO 7. 4 que el voltaje de estrangulamiento es cuando el valor del voltaje de compuerta llegue a un valor donde el canal quede completamente libre de portadores, por lo tanto si tenemos un valor máximo de compuerta vGS = 0V , por medio de la relación: vDS (max) = vGS V p , por lo tanto como el voltaje de compuerta va de 0 a 1:4V , entonces el voltaje de estrangulamiento va a ser negativo. Basándonos en las características de cada una de las re- Fig4: Montaje del circuito en polarización de un MOSFET giones de operación del FET, podemos compribar que para funciones de apli cación el transistor se debe trabajar en su región de saturación, esto se debe a que el ancho del canal cerca al drenaje depende tanto del voltaje de compuerta como del voltaje entre drenaje y fuente, esto indica que es necesario, para mantener el dispositivo en la región de tríodo, asegurar que el voltaje entre drenaje y fuente no aumentaría a tal punto que vGS vDS sea igual o menor al voltaje de umbral, porque en tal caso se dice que el canal está estrangulado, lo que hace que la corriente que circula a través de él permanezca casi constante para aumentos de vDS por encima del voltaje para Tabla5: Análisis de polarización de un MOSFET el cual ocurrió la estrangulación del canal (vDSsat ), el cual se obtiene: vDSsat = vGS V t lo cual entra en saturación para valores mayores de ese voltaje, de esta forma la corriente iD se III. CONCLUSIONES mantiene constante permitiendo aumentar el valor de vDS lo Finalmente cabe resaltar que los transistores BJT son cual permite ampli car señales deseadas. controlados por corriente, puede manejar altas frcuencias y potencias, se usan como interruptores ampli cadores y en el Por último conociendo teórica y experimentalmente el com- área de comunicaciones. portamiento de un transistor de unión bipolar a continuación se Los transistores tipo FET son controlados por voltaje, encuentran descritas las principales semejanzas y diferencias involucra una fabricación de sustrato, dioxido de silicio como que estos presentan con respecto a los transistores FET. aislante y metal para las terminales, consume poca potencia, se usan en la parte de la electrónica digital y puede fabricarse en tamaños minúsculos. Todos los microprocesadores están hechos a base de FET donde en un chip, se pueden encontrar millones de estos transistores, como la corriente es mínima la potencia y calentamiento tiende a cero. Además tiene la cualidad de tener una zona donde se corporta como resistencia por lo tanto en circuitos integrados se puede usar para suplir a las resistencia por que son mas pequeños que las resistencias. Por último tienen tiempos de conmutación mas rápidos que los BJT. A partir de las experiencias realizadas se pudieron sacar unas series de conclusiones gracias a las grá cas y tablas obtenidas a través de la experiencia, por ejemplo, al realizar la Transistores BJT vs Transistores FET gra ca iD vs vGS no es posible identi car las tres regiones de operación del transistor ya que como se sabe las 3 regiones del transistor son: Triodo, Corte y Saturación, y al gra car la tabla iD -vGS sólo muestra las regiones de Triodo y Saturación ya que la de corte se encuentra en el eje x es decir cuando la IV. BIBLIOGRAFIA corriente iD es cero. [1].SEDRA, Adel y KENNETH, Smith. Circuitos Micro- Por otra parte se pudo notar que el voltaje de estran- electrónicos. México: Oxford University Press, 2001. gulamiento de los JFET de canal n es negativo; como en [2].MUHAMMAD, Rashid. Circuitos Microelectrónicos: la guía nos piden reducir el voltaje en la compuerta desde Análisis y diseño. Estados Unidos: Internacional Thompson 0V , hasta los 1:4V con decrementos de -0:2V , y sabemos Editores, 1999
  5. 5. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRONICA I - LABORATORIO 7. 5 [3].DATASHEET Catalog. Buscador de hojas de datos de dispositivos electrónicos, Online, http://www.datasheetcatalog.net/. [4]. Fuentes de internet : http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_LED

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