Practica # 8

11"

Experimento

+-

8

de laboratorio

Transistores de efecto de campo '"

, metal-oxido-semiconductor

~

Entr N Vert

'r'

:r osc

2

.

I

~,

<' <J > 0

;;

Objetivos A. Mostrar y medir Ia caract!:ristica depolarizacian cero de un transis~or de efecto de campo metal-oxido-semiconductor. B. Mostrar y medir 131 caracteristicas del modo de empobrecimiento de un transistor de efecto de campo metal.oxido-semiconductor. C. Mostrar y medir 131caracteristicas del modo de enriquecimiento de un transistor de efecto de campo metal.oxido-semiconductor. Conceptos bcisicos 1. En un transistor de eJecto de campo metaloxido-semiconductor. (Metal oxide semiconductor field effect transistor-MOSFET) Ia compuerta esta aislada del canal.

2. Un MOSFET tambien se conoce como un FET de compuerta aislada (insulated gate FET-IGFET). 3. Los MOSFET son de canal No canal P. 4. Cuando la polaridad de la polarizacion de compuerta-fuente requerida es tal que produce una reduccion en la corriente de canal, se dice que el MOSFET funciona en el modo de empobrecimiento. 5. Cuando la polaridad de la polarizacion de compuerta-fuente requCfrida es tal que produce. un aun1ento en la corriente de canal, se dice que el MOSFET funciona en el modo de enriquecimiento. 6. Algunos MOSFETs pueden operar en ambos modos, de emprobrecimiento y enriquecimiento. 7. Un MOSFET puede tener dos compuertas;

I

I I ,I I I

"'"

,

l

TranliltoNI de etecto de campo

se Ie conoce como MOSFET de compuerta doble. 8. La impcdancia de entrada es mas alta y la capacitancia de entrada mas baja en un MOSFET que en un JFET. 9. Los MOSFET pueden requerir derta forma de proteccion de compuerta para impedir el daiio debido a la carga estatica. Informacion preliminar El transistor de eJecto de camfX> metal-oxidosemiconductor (MOSFET) es un paso mas 'adelante del transistor de efecto de campo de union OFET). Ya que hay una corriente minima de compuerta en un transistor de efecto de campo, es posible aislar el electrodo de la compuerta del canal. El aislante tiene la forma de un oxido generalmente bioxido de silicio (5i02). A este tipo de transistor (MOSFET) tambien se Ie conoce como transistor de efecto de campo de Ciompuerta aislada (IGFET). La figura 8-1 muestra la construccion de un MOSFET tipico de canal N. La compuerta es un electrodo met3.lico colocado sobre el canal. La compuerta no hace contacto con el canal debido a una capa de 5i02 , un material semejante al vidrio con excelentes propiedades de aislantt. EI canal es continuo de fuente a drenaje y esta incrustado en un material de base semiconductora "dopado" opuestamente y que se conace como sustr~to. La figura 8-1 tambien muestra el simbolo esquematico del MOSFET de canal N. La direccion de la flecha en la punta del substrato muestra que el dispositivo tiene un canal N. Un dispositivo de canal P se representa haciendo que la £lecha apunte en la direccion opuesta. La terminal del sustrato puede sacarse del encapsulado mediante una pun0

G~Sustratol Sustrato

Fig. 8-1

.

s Simbolo de Mosfet de canal N en modo de empobrecimiento

ta por separado 0 puede estar conectada.en forma intema a la fuente como se muestra en la figura 8-1. El 'Cuncionamiento del MOSFET de canal N es semejante a la del JFHT de canal N que se estudio antes. Con un voltaje extemo aplicado a traves del canal (positivo de drenaje a fuente), se crea la conduccion. El canal N contiene portadores de corriente por 10 que el dispositivo normalmente esta encendido. El canal puede empobrecer-se de portadores de corriente mediante un voltaje negativo en la compuerta. Las cargas iguales se repelen, por 10 que los electrones del canal pueden desplazarse por la compuerta negativa. En efecto, si la compuerta se hace suficientemente negativa, el canal puede estrangularse de tvJas sus portadoras y la corriente de drenaje decae a cero. A este modo de operacioil se Ie conoce como modo de empobrecimiento. El canal normalmente es conductor pero aplicando suficiente polarizacion de compuerta puede quedar estrangulado sin sus portadores. , La corriente de compuerta £luye si se polariza directamente el diodo de canal de compuerta de un JFET.o El MOSFET no necesita tener un diodo de compuerta, 10 que no constituye un problema. Esto se utiliza en el modo de operacion de realce, que significa que la terminal de compuerta se utiliza para mejorar la conductividad del canal. Los FETs en modo de enriquecimiento normalmente son dispositivos apagados. Se pueden encender aplicando suficiente polarizacion directa a la terminal de la compuerta. Algunos' MOSFETs pueden funcionar tanto en el modo de empobrecimiento como en el de enriquecimiento. Tienen un canal completo y normalmente estan encendidos. Se puede variar la conductividad del canal mediante la magnitud y polaridad adecuadas del voltaje de compuerta. El espesor del canal determina si el dispositivo tiene ambas caracteristicas de empobrecimiehto y enriquecimiento. Para este tipo de dispositivo normalmente se utiliza el diagrama esquematico del modo de empobrecimiento.

.

41

T1tln,iltores th efecto de campo

0

Metaly--\ Fuente...Compuer.tarDrenaje

.~ Canal N inducido. (Sustrato)

Fig. 8-2

"'''''to s ~imbolode

Mosfet de canal N en modo de enriquecimiento

La figura 8-2 muestra los detalles de un MOSFET de tipo de enriquecimiento canal N. No hay un canal N completo desde la terminal de fuente a la terminal de drenaje. Si se conecta una fuente de voltaje externo a traves de la fuente y drenaje habra poca 0 ningu~a conduccion. Este es un dispositivo .rtormalmente apagado. Sin. embargo, se puede .inducir un canal N aplicando la carga apropi~da a la terminal de la compuerta. Si se hace positiva 1a compuerta con respecto a la fuente, se atraen las portadoras de tipo N hacia laregion bajo el electro do de la compuerta. Este canal N inducido mantiene el flujo de corriente y el dispositivo conducira.

. En la figura 8.2 tambien aparece el simb6lo es. quematico para el FET de modo de enriquecimiento canal N. Note que el canal esta formado por guiones 0 una linea interrumpida, 10 que significa que -no esta completo y que el dispositivo normalmente esta apagado hasta que se aplica el voltaje adecuado de compuerta. Un dispositivo de canal P tendria la flecha del sustrato apuntando en la direccion opuesta. Con frecuencia se acoplan los dispositivos de enriquecimiento del tipo P con los dispositivos de enriquecimiento de tipo N en un arreglo complementario que se conoce como CMOS. Los dispositivos CMOS se caracterizan por su uso muy eficiente de la fuente de energia. Algunos MOSFET tienen dos compuertas separadas y cUalquiera 0 ambas pueden controlar la corriente del canal. A este, tipo del MOSFET se conoce como MOSFET de doble compuerta. Dos compuertas por separado perrniten efectos espedales 0 que un MOSFET realice funciones de

42

....

control multiple. Por 10 general se muestran dos compuertas scparadas en el simbolo esquematico. En el JFET de canal N, la polarizaci6n inversa del diodo de compuerta imp ide la corrientc de compuerta. En el MOSFET, cl oxido aislante imp ide la corriente de compuerta (aunque no es raro tener una corriente de compuerta en el rango de picoamperes ,a nanoamperes). El aislante es mucho mas perfecto que el diodo y la impedancia de entrada del MOSFET puede llegar hasta a un mi110n de megohms. La estructura de compuerta de MOSFET tambicn tiene la ventaja de una capacitancia mas baj~ de entrada. La menor capacitancia del MOSFET mejora su funcionamiento a al-

tas frecuencias.

.

Una dificultad con los MOSFETs es el peligro de dano a la compuerta debido a la pcrforacion. La delgada capa de bioxido de silicio puede perforarse en presencia de campos electricos estaticos. Las cargas estaticas, no se drenan debido a la impedancia de entrada extremadamente alta y pueden acumularse hasta el punto de que ocurra ruptura de compuerta, 10 que perfora el aislante. de oxido yde.struye el dispositivo. Para impedir que s-uceda eso, ahora se fabrican unos MOSFETs con una proteccion de diodo Zener interno entre la compuerta y la fuente, 10 que naturalmente sacrifica parte de la extremadamente alta impedancia de entrada del dispositivo. Los MOSFETs no protegidos deben manejarse con cuidado. Duran~e su transportacion y manejo se deben poner sus puntas en corto. El material para poner en corto \ !as puntas debe quitarse solo despues de conectar el dispositivo al circuito 0 dispositivo de prueba. Lecturas complementarias Para mayor informacion sobre el tema, consulte la bibliograHa al final de este capitulo. Equipo y materiales Fuente de energia Fuente de energia

\

O-lOVca 0-2Vcd, 5mA

--- -

-

Transistor.!

YOM electronico Osciloscopio Sistema de capacitacion en electronica CR1 Diodo de silicio, 1N4004 MOSFET, canal N, protegido (21 compuerta, 40841 R1 -lMn, lW

-

R2

de .f.cto

de ernIf,'"

28

-

24 ,

120 £116 at

en

i

'~ 12

.

"0

.

- 47n, lW

II c at 'E

Tablero universal K, para e~perimentos

8

8 4

0

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

4

2

6

8

10 12 14 16 18 20

Voltaje drenaje-fuente vcs (volts)

Fig. 8-4 CI 1. a) Conecte el circuito mostrado en la figura 8-S. Para impedirdaiio al MOSFET, todavia no aplique energia electrica. NOTA: EI MOSFET 40841 es de tipo de compuma doble. Las compuertas se conectan entre 51 en CIte experimento de laboratorio para simular un dispositivo de compuerta simple. En un experimento. posterior se exploran las caracteristicas de Ia compuerta doble del dispositivo. 0 b) Utilice la entrada horizontal externa y la sei\al de prueba calibrada y calibre el amplificador horizontal del osciloscopio para 2.5V /cm como en los experimentos anteriores. CI c) Ajuste el osciloscopio para de flexion vertical de 0.02V/cm. CI d) Ajuste el voltaje VDD de drenaje de la fuente de ca variable a 10 volts (rms). EI diodo CRI permite que solo se aplique la altemacion pOlitiva del voltaje de ca entre el drenaje y la fuente del MOSFET.

0 e) Conecte el osciloscopio al circuito como se muestra en Ia. figura 8.3. Use la punta multiplicadora XI0 en la entrada vertical. La onda debe parecer semejante a la CUIva de polarizacion cero del 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 Ie deduce utilizando la ley de Ohm. EI aniplificador vertical se ajusto a O.02V/cm 10 que queda como 0.2V/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 aI JFET

.

0 h) Indique 5i el MOSFET presenta una region 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 eI paso f).

CR1

IDss

HOAI

0

AI osciloscopio

J

VERT R2 4711

':'

Fig. 8-3

=

.--............

j) Apague la fuente de energia.

'V) ~o:ca

Objetivo B. Mostrar y mc:dir las caracterutiC81 del modo de empobrecimiento de un transistor'" efecto de campo metal-6xido-semiconductor. 0 2. a) Modifique su circuito como se muatra en la figura 8-5.

. 43

.(

/

Thutlllto...,

i

d.-'uto ,. CtI.PO

I

I

CR' NOR'

AI ociiOlCopio

'V

VERT ']

>

t=-

0 b) Ajuste el YOM al rango de 0.5 votted y cuidadosarnente ajuste la fuente de energia de cd hasta que VGS = +0.5 volts. 0 c) Registre la curva que aparece en la pantalla del osciloscopio utilizando la grafica de la

=

figura 8 4. Marque esta curva como VGS

+0.5Ved. 0 d) Aumente el rango del YOM Y ajuste la

+

fuente de energia de manera que VG S = 1.0 volt.

Registre y marque la curva.

Fit. 8..6 0 b) Ajuste el voltaje de la fuente de drenaje de ca variable a 10 volts (nns). 0 c) .Use el rango de 0.5 volt cd en 'el YOM y ajuste la fuente variable de cd hata que VGS = -0.,2

volts.

28 24

< .5 20 916

.

/'

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

VGS=+1.5Vcd I .1 I VGS-+1Vcd I,ll VGS=+O.5Vcd

';r

i 12 .0 a 8 ,I ~ 4

/

!

I VGS

'

IT

VGS=-o.2Vcd

y

2

0

b

4

6

8

-j II 10 12 14 16 18 20

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

Voltaje de drenaje.fuente

Fig. 8-6

0 f) l Con cu31 modo de la operacion del FET se relaciona oeste?' .n

'

,

,

.......

El modo de empobrecimiento. 0 g) Lentamente aumente la polarizaci6n nee gativa de cd hasta q\1e la corriente de drenaje caiga a cero (ninguna deflexi6h'vertical en el osciloscopio). Tendri que aumentar el rango del YOM. Mida VGS .en el estrangulamiento:

VDS (volts)

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 caraeteristic~ contra la figura 8-6. De margen para amplias variaciones entre los MOSFETs del mismo tipo.

0

g) lQue sucede cuando VG S se hace po-

sitivo

\

"...

v, (VQ~J:;:"''''0;''''''''''''

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

Vccl

'~,'"

:',':T!Y'/

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

0 h) lQue esto?

modo

de operacion

''';':.:~'~r

,',

\

~

,":

repr.es~ta,

"

,",''-

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- 0 laridad del VOM~"

44

"

i) lLos JFETs operan en el modo de::pri:

quecimiento?

. ",:~ /'

w

I 'Trtlnsi.tDreI d, ,tectO d, campo

Resumen

En este experimento de lab oratorio se familiarizo con el transistor de eJecto de campo metal-ox;do-semiconductor (MOSFET). Primero midio la corriente de drenaje con polarizacion cero de compuerta bajo condiciones dimimicas. Grafico una curva caracteristica y encontro que el MOSFET tiene una region ohmica y una I:egion de corriente constante semejante a un J}o'ET. Luego aplico un voltaje negativo a la compuerta. Vio q~e la corrie~ite de drenaje disminuye al aumentar VG S en direccion negativa. Detennino que eso se debe a que el canal se agpta de electrones. Uego

a la conclusion de que el MOSFET de canal N estaba funcionando en e1 modo de empobrecimiento bajo estas condiciones. Tambien midio el voltaje de estrangwamiento. Finalmente, aplico un voltaje positivo a la compuerta. Vio que 1a corriente de drenaje crece al aUlDentar VGS en la direccion positiva. Determino que la conduccion de canal se aumenta por elV Gs positivo y Uego a la conclusion de que el MOSFET de canal N funcionaba en el modo de enriquecimiento. Grafico una familia de c:urvas caracteristicas para los distintos valores de VGs. V~rific6 que debido a Ja compuerta aislada, se puede construir el MOSFET para que tenga caracteristicas por igual de modo de enriquecimiento yempobrecimiento.

'""

.

4S