Práctica 1: Caracterización de transistores Sebastián Linares; Emiro Lara {slinaresr, ealarar}@unal.edu.co Laboratorio de Electrónica Análoga II Universidad Nacional de Colombia. 1. 1.1. Trabajo Previo Calcular el voltaje de umbral Vt En la primera parte de la práctica se utiliza el circuito de la figura 1.1 para determinar el voltaje de umbral de un transistor canal N. En este circuito, al poner los terminales de drain y gate del MOSFET en cortocircuito, se garantiza que el transistor opera en saturación [1]: ID VDS = VGS VGS VT > 0 VDS >VGS − Vt Siendo ası́, Vt se puede hallar a partir de variables medibles en el circuito de la siguiente manera: VDD − VGS RD 1 ID = kn (VGS − Vt )2 2 VDD − VGS 2 (VGS − Vt ) = k R r n D VDD − VGS Vt = VGS − kn RD ID = Figura 1: Circuito para caracterizar un MOSFET de Canal N En donde kn = kn0 W L . Para esta primera parte, resulta conveniente escoger un valor de RD lo suficientemente grande, de tal forma que el término de la derecha tienda a 0, y se pueda medir Vt directamente en el circuito de la figura 1.1: VGS ≈ Vt Este proceso es homólogo para determinar Vt en los MOSFETs canal P, en cuyo caso VSG ≈ Vt 1.2. Obtener el valor aproximado de la constante kn En la segunda parte del laboratorio, se utiliza el mismo circuito para determinar kn de cada transistor de canal N. 1 1 kn (VGS − Vt )2 2 2ID kn = (VGS − Vt )2 ID = (1) (2) El proceso para determinar kp en los de canal P es homólogo, con la distinción de que tanto kp como ID toman valores negativos. 1.3. Curva caracterı́stica ID vs. VGS Una forma de representar el funcionamiento del MOSFET en la región de saturación es con la curva ID vs.VGS . Con el montaje del circuito 1.1, en el osciloscopio se pueden observar en dos canales, con la misma referencia a tierra, una señal proveniente de vDD y una de VGS . De esta manera, si CH1 = VDD y CH2 = VGS , se y CH2. pueden construir la gráfica con datos de: ID = CH1−CH2 RD 2. Trabajo en el Laboratorio En el laboratorio, se montó el circuito de la figura 1.1 para cada uno de los 4 transistores N del integrado ALD1106, y se utilizó una resistencia de RD = 11,21M Ω para medir Vt entre VG y VS . De forma homóloga, se hizo el mismo montaje, con la polarización de la fuente en el sentido opuesto, para obtener los Vt en el ALD1107. Tomando como número 1 el transistor entre los pines 1-3 del integrado, y 4 el que se encuentra entre 12-14 [2], los valores de Vt para cada transistor de Canal N en el ALD1106, y de Canal P en el ALD1107, son: Tipo N No. 1 2 3 4 Vt (mV ) 577 577 579 577 Tipo P Cuadro 1: Valores de Vt para los NMOS ALD1106 No. 1 2 3 4 Vt (mV ) -693 -703 -703 -695 Cuadro 2: Valores de Vt para los PMOS ALD1107 Posterior a esto, se cambió la resistencia RD por una de 99,0kΩ, y, para obtener los valores de kn y kp en el nuevo montaje, se hallan usando la ecuación 2. Ası́, obtenemos: Tipo N P No. 1 2 3 4 1 2 3 4 Vt (mV ) 577 577 577 577 -693 -703 -703 -695 VGS /VSG (mV ) 1.025 1.023 1.024 1.025 1.292 1.300 1.300 1.295 kn /kp (µA/V 2 ) 406.8 412.5 414.2 408.6 214.0 214.9 214.9 213.1 Cuadro 3: Valores de kn y kp para todos los MOSFETs Por último, se reemplazó la fuente DC con una señal triangular de frecuencia 5Hz para emular un barrido lineal en DC, ya que el tiempo de subida, 100ms, es relativamente largo. Esta sección sólo se realizó con el NMOS 1. Cómo se describe en la sección 1.3, las sondas del osciloscopio fueron ubicadas en VDD y VGS respectivamente, lo cuál nos permitió visualizar la figura 2. 2 Al exportar el archivo .csv y graficar las variables coVDD rrespondientes, podemos observar las señales VGS e VGS ID en el tiempo. La gráfica de la figura 3 no es posible obtenerla y visualizarla directamente en el osciloscopio, ya que la señal de la corriente es el resultado de una operación entre los canales. Si, en otra topologı́a, la resistencia está entre la tierra y el MOSFET, se podrı́a medir la señal de corriente directamente en un canal, sin embargo, la señal de tensión VGS ahora tendrá que ser un resultado de una operación matemática. Por esta razón se exportan los datos para poder tratarlos y graficar- Figura 2: Visualización de VDD y VGS en el Osciloslos. copio 8.00 7.00 6.00 V (V) 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 200 4.00 VGS 500.00 ID(µA) 3.00 400.00 300.00 ID (µA) VGS (V) 2.50 2.00 1.50 200.00 1.00 100.00 0.50 0.00 0.00 300 350 400 450 500 550 600 650 400 500 600 700 800 Habiendo obtenido estos datos, se procede a generar la curva de la relación entre VGS y ID . En la gráfica de la figura 4 también se encuentra la curva caracterı́stica teórica del NMOS 1 generado con los parámetros en la tabla 3. Se puede notar que los puntos de la gráfica obtenida experimentalmente tienen alta incertidumbre en valores de ID y la discretización en VGS es muy gruesa: esto es debido a la poca exactitud de los datos del .csv generado por el osciloscopio, en los cuales sólo se utilizan 2 cifras significativas, a pesar de que en el cursor del osciloscopio se pueden observar 5. 600.00 3.50 300 700 Figura 3: ID y VGS en el dominio del tiempo 550 450 350 I (µA) ID(µA) ID-T (µA) 250 150 50 0.00 -50 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 VGS (V) Figura 4: Relación VGS vs. ID para el NMOS 1 del ALD1106. 3. Conclusiones Los parámetros de los transistores son relativamente cercanos entre sı́ dentro de un mismo chip, lo que permite con mayor facilidad, en prácticas futuras, implementar circuitos que lo requieran como los espejos de corriente. Esta ventaja es debido a la integración de los MOSFETs, que permite una alta confiabilidad en que las diferencias en parámetros de fabricación son prácticamente nulas. 3 Los ALD tienen alta capacidad para amplificación, y presentan una muy buena estabilidad frente a ruido electromagnético. Sin embargo, debido a su tamaño y el hecho de que son MOSFETs, pueden ser bastante sensibles a cambios de parámetros ambientales, o a perturbaciones mecánicas. La resolución o cifras significativas que exporta el osciloscopio son de muy baja calidad, lo cual, en algunos casos como este, no permite hacer análisis suficientemente precisos. Esto se puede deber a poca capacidad de almacenar datos en memoria volátil del equipo. Referencias [1] Sedra, A., Smith, K., Microelectronic Circuits, 7th ed, Oxford University Press, 2016. [2] Advanced Linear Devices, Inc., ALD1106/ALD1116 - Quad N-Channel, Matched Pair MOSFET Array, Sunnyvale, CA, 2012. 4