1
POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES JFETS Y MOSFETS Resumen—The following report contains detail about the
Oscar Dario Gordillo Rojas
[email protected]
I B , mientras que en un JFET la V GS será una función del voltaje
nivel de la corriente
ID corriente aplicando al circuito de la entrada de la Figura (1).
Universidad Politécnica Salesiana - Cuenca Laboratorio de Analógica II operation of the FET, JFET and MOSFET, the equations that are used for such calculations. It also consists of the causes or problems for which transistors are damaged. El siguiente informe consta de manera detallada acerca del funcionamiento de los FET, JFET y MOSFET, las ecuaciones que se emplean para sus respectivos cálculos. También consta sobre las causas o problemas por las cuales se dañan los transistores. Index Terms— MOSFETS, JFETS, polarización, recta de carga, circuito.
I. 1.
OBJETIVOS
Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento de
2.
Polarización Gate o Doble Fuente. Autopolarización Resistencia de Source. Polarización Divisor de Tensión. Polarización con doble Fuente o Simétrica. Diseñar y Simular el funcionamiento de las polarizaciones del MOSFET.
Figura 1. Transistores BJT y JFET
La construcción básica del JFET de canal n como se muestra en la Figura 2 tiene como principal estructura un material de tipo n, en el cual forma el canal entre las capas incrustadas de material p. La parte superior del canal tipo n está conectada mediante un contacto óhmico a un material conocido como drenaje DRAIN que se representa como ‘D’ en tanto que el extremo inferior del mismo material está conectado un contacto óhmico a una terminal conocida como fuente o SOUERCCE que se representa ‘S’.[1] La estructura interna del transistor JFET es que los dos materiales tipo p están conectados entre sí y a la vez con la terminal de la compuerta GATE, la cual se la simboliza como ‘G’, por consiguiente, el drenaje y la fuente están conectados a los extremos del canal tipo n.
MOSFET Incremental. MOSFET Decremental. II. MARCO TEÓRICO
1. FETS Los FETS son transistores de efecto de campo (por las siglas en ingles de Field Effect Transistor), es un dispositivo de tres terminales y se asemeja mucho a un transistor BJT. Una de las características más importantes del FET es su alta impedancia de entrada. Existen diferentes dispositivos de FETS entre los más comunes están los JFET y MOSFET. [1] A. JFETS Los transistores JFET son dispositivos controlados por voltaje, la diferencia básica con los transistores BJT es que los BJT son dispositivos controlados por corriente.
En un BJT la corriente
Ic
es una función directa del
Figura 2. JFET funcionamiento
Sin potenciales aplicados al transistor, el JFET tiene dos uniones p-n en condiciones sin polarización. El resultado es una región de empobrecimiento en cada unión, la cual se asemeja a la misma región de un diodo en condiciones sin polarización. [1] Para el cálculo de estos transistores rige la ecuación de Shockley 1, que es la que relaciona las características del transistor con las características del circuito.
2
(
ID=IDSS 1−
2
VGS (1) VP
)
B. MOSFETS Existen dos tipos de transistores MOSFET los de enriquecimiento y los de empobrecimiento. La construcción básica del MOSFET de tipo empobrecimiento de canal n aparece en la Figura (3). Se forma de una placa de material tipo p a partir de una base de silicio y se conoce como sustrato y es la base sobre la cual se construye el dispositivo. En algunos casos, el sustrato se conecta internamente a la terminal de fuente. La fuente y el drenaje están conectados mediante contactos metálicos a regiones tipo n dopadas vinculadas a un canal n. [1] También la compuerta está conectada a una superficie de contacto metálica aunque esta permanece aislada del canal n por una capa de bióxido de silicio ‘SiO2’ muy delgada. El SiO2 es un tipo de aislante conocido como dieléctrico, el cual establece campos eléctricos opuestos. No hay una conexión eléctrica entre la terminal de compuerta y el canal de un MOSFET. A este tipo de transistor está regido por la ecuación de Shockley 1. [2]
Figura 4. MOSFET de enriquecimiento
III. HERRAMIENTAS Y MATERIALES - Herramientas 1. Proto Board. 2. Multímetro. 3. Corta frio. 4. Software Mulstisim. 5. Cable multipar. - Materiales Cuadro I. Descripción de los materiales
Materiales
Cantidad
Costo por unidad
JFET 2SK30A Resistencias
4
0.35$
12
0.05$ 2.00$
Total
IV. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Figura 3. MOSFET de empobrecimiento
Mientras que para los MOSFET de tipo enriquecimiento su funcionamiento es muy similar al MOSFET de empobrecimiento, con la única diferencia que este no tiene un canal que los une como se muestra en la figura 4. Y a este tipo de transistores no se rige por la ecuación de Shockley 1 Para el análisis de este tipo de transistores se rige por las ecuaciones 2 y 3.
k=
ID encendido 2
(2)
( VGS encendido −V th ) ID=k ¿ ( VGS−V th )2 (3)
TRANSISTORES JFET A. Polarización con fuente al gate. Para realizar la polarización con fuente al gate se usó el JFET 2SK30A, que tiene como datos de medición I DSS=3.22 [mA] y un V P =−2.114 [v] para conseguir un
V DS =
V DD 2
y una
I D =2.2[mA ]
3 Comparación de valores medidos y calculados:
VCC 9V
Cuadro II. Polarización con fuente al gate
R1 2.045kΩ + -
2.201m
ID V GS V DS
A
Q1 + -
-0.366m V
Figura 5. Polarización fija
VDS siendo la mitad de VDD entonces:
V DS =
V DD 2
V DS =
9V =4.5[V ] 2
Medido
Simulado
2.2 [mA]
2.27 [mA]
2.2 [mA]
-0.36 [V]
-0.36 [V]
-0.36 [V]
4.5 [V]
4.31 [V]
4.5 [V]
V
2SK30ATM** V1 0.366mV
+ -
4.500
Calculo
B. Polarización con resistencia al source. Para realizar la polarización con resistencia al source se usó el JFET 2SK30A, que tiene como datos de medición I DSS=3.22 [mA] y un V P =−2.114 [v] para
V DS =
conseguir un
V DD 2
I D =2.2[mA ]
y una
VCC 9V R7 1.88kΩ +
Empleando la ecuación de Shockley 1.
I D =I DSS
(
V 1− GS VP
-
2.200m
Q5
2
)
+ V
+
-0.329
V GS 2.2 mA=3.22 mA 1− −2.114
(
A
VGS=−0.366[V ]
R8 1MΩ
9=2.2mA RD +4.5 V RD=2.045[ KΩ]
2SK30ATM***
Figura 7. Polarización con resistencia al Source
Calculo de la resistencia en el DRAIN.
V DD =V RD+ V RS
V DS =
V DD 2
V DS =
9V =4.5[V ] 2
Empleando la ecuación de Shockley 1. En la Figura 6 se muestra la recta de carga de la polarizacion con fuente al gate.
I D =I DSS
(
V 1− GS VP
2
) (
2.2 mA=3.22 mA 1−
V GS −2.114
2
)
VGS=−0.366[V ] Encontramos Rs:
V GS=−I D∗RS
−0.366V =−2.2mA ∙ RS Figura 6 Recta de polarización
V
R6 165.13Ω
2
)
4.500
4
RS=165.13 [Ω]
VCC
9V
R5 1.5kΩ
Realizando mallas despejamos la RD.
V DD =VR D +V RS +V DS
R2 1MΩ
9=2.2mA ∙ R D +4.5 V +2.2 mA ∙ RS
+ -
2.249m
A
Q2
9=2.2mA ∙ R D +4.5 V +2.2 mA ∙165.13
+ -
4.1367=2.2 mA ∙ R D
-0.393
R D=1.880 [KΩ]
V
2SK30ATM****
V
+
4.502
R4 500Ω
R3 88kΩ
En la Figura 8 se muestra la recta de carga de la polarización con resistencia al sourse. Figura 9. Polarización con divisor de tensión
V DS =
V DD 2
V DS =
9V =4.5[V ] 2
Empleando la ecuación de Shockley 1.
I D =I DSS Figura 8. Recta de polarización
(
V 1− GS VP
2
)
V GS 2.2 mA=3.22 mA 1− −2.114
(
2
)
Cuadro III. Polarización con resistencia al source
ID V GS V DS
Calculo
Medido
Simulado
2.2 [mA]
2.29 [mA]
2.2 [mA]
-0.36 [V]
-0.349 [V]
-0.32 [V]
4.5 [V]
4.26 [V]
4.5 [V]
C. Polarización con divisor de tensión Para realizar la polarización con divisor de tensión se usó el JFET 2SK30A, que tiene como datos de medición I DSS =3.22 [mA] y un V P =−2.114 [v] para conseguir un
V DS =
V DD 2
y una
I D =2.2[mA ]
VGS=−0.366[V ] Para determinar la resistencia en el sorce nos imponemos que la resistencia tenga una caida de tension de 1.5[V]
V S =I D ∙ R S 1.1V =2.2 mA ∙ RS RS =500[Ω] Procedemos a encontrar VG.
V G=V th =I D ∙ R S +V GS V G=V th =2.2mA ∙ 500−0.366 V G=V th =0.734[ V ] Aplicando divisor de tension y nos imponemos una resistencia de R2= 1 MΩ
VG=
VDD∙ R 2 R 1+ R2
5
0.734=
9∙ R2 1 MΩ+ R 2
R 2=88.79[ KΩ] Realizando mallas despejamos la RD.
V DD =VR D +V RS +V DS 9=2.2mA ∙ R D +4.5 V +2.2 mA ∙ Rs 9−2.2mA ∙ R D−4.5V −2.2 mA ∙ 500=0 5.6=2.2mA ∙ R D R D=1.54 [KΩ] En la figura 10 se muestra la recta de carga de la polarización con divisor de tensión. Figura 11. Polarización con doble fuente
V DS =
V DD 2
V DS =
9V =4.5[V ] 2
Empleando la ecuación de Shockley 1.
Figura 10. Recta de polarización
(
I D =I DSS 1−
Comparación de valores calculados y simulados: Cuadro IV. Polarización con divisor de tensión
ID V GS V DS
Calculo
Medido
Simulado
2.2 [mA]
2.29 [mA]
2.2 [mA]
-0.36 [V]
-0.349 [V]
-0.32 [V]
4.5 [V]
4.26 [V]
4.6 [V]
D. Polarización con doble fuente Para realizar la polarización con doble fuente se usó el JFET 2SK30A, que tiene como datos de medición I DSS =3.22 [mA] y un V P =−2.114 [v] para conseguir un
V DS =
V DD 2
y una
I D =2.2[mA ]
V GS VP
2
) (
2.2 mA=3.22 mA 1−
V GS −2.114
2
)
VGS=−0.366[V ] Encontramos Rs:
V GS=V SS−I D∗RS
−0.366V =−4−2.2 mA ∙ RS
RS=1.98 [KΩ] Teniendo todos los parámetros procedemos a calcular RD
V DD =VR D +V RS +V DS−4 9−2.2mA ∙ R D−2.2 mA ∙1.98 KΩ−6.5+ 4=0 −2.2 mA ∙ R D −2.2 mA ∙1.98 KΩ−6.5+ 4=0
6
R D=974.54 Ω En la figura 12 se muestra la recta de carga de la polarización con doble fuente simétrica.
Figura 13. MOSFET de empobrecimiento
Figura 12. Recta de polarización
Comparación de valores calculados y simulados:
V P =−2.5
Cuadro V. Polarización con doble fuente
ID V GS V DS
Datos:
Calculo
Medido
Simulado
I DSS=12[mA ]
2.2 [mA]
2.3 [mA]
2.18 [mA]
-0.36 [V]
-0.33 [V]
-0.372 [V]
I D =6[mA ]
6.5 [V]
4.54[V]
2.18[V]
Calculo del voltaje para que funcione a 6 [mA] Empleando la ecuación de Shockley 1.
TRANSISTORES MOSFET
I D =I DSS
A. Transistores de tipo Empobrecimiento Simulación del funcionamiento de un MOSFET 5051 en polarización fija o con fuente al gate. Para realizar el diseño de un circuito con un MOSFET de empobrecimiento con una corriente de drenaje de 6mA y el voltaje VDS sea la mitad de la recta de carga, teniendo como datos del producto el y V P=2.5[ V ]
I DSS=12 [mA ]
(
V 1− GS VP
(
2
)
6 mA =12mA 1−
V GS −2.5
2
)
VGS=−0.73223[V ] Para que funcione a la mitad de la recta de carga
V DS = V DS =
V DD 2
12 V =6 [V ] 2
Para calcular la resistencia del source me impongo que la caida de tension en la misma sea de 1.2 [V]
V S =I D ∙ R S
1.2V =6 mA ∙ R S RS =200[ Ω] Calculo de la resistencia en el DRAIN
7
V DS =V DD−I D∗R D−V RS
V GS -0.73223 [V] 6 [V] V DS
6=12−0.006∗R D−1.2 R D=800 [Ω]
-0.7322 [V] 8.879[V]
B. Transistores de tipo Enriquecimiento
Utilizando un valor comercial para la resistencia
R D=820 [Ω] En la Figura 14 se muestra la recta de entrada del transistor.
Simulación del funcionamiento de un MOSFET IRFP540 en polarización de retroalimentación. Para realizar el diseño de un circuito con un MOSFET de enriquecimiento con una corriente de drenaje de 6mA y el voltaje VDS sea la mitad de la recta de carga, teniendo como datos del producto el V TH =3 [V ] , con un voltaje de encendido
VGS ENC =6[V ]
y
I D ENC =5 [mA ]
Figura 14. Recta de entrada del MOSFET
en la Figura 15 se muestra la recta de carga de la polarizacion del MOSFET con polarizacion fija.
Figura 16. MOSFET de enriquecimiento
Datos:
V TH =3 [V ] VGS enc =6[V ] I Denc =5[mA ]
Para encontrar la constante K se emplea la siguiente ecuación:
k=
k=
ID enc
( VGS enc −V th) 5 mA ( 6−3 )2
Figura 15. Recta de polarización
Comparación de valores calculados y simulados: Cuadro VI. MOSFET con polarización fija
Calculo
ID
6 [mA]
Simulado 6.001 [mA]
2
k =0.00055
A 2 V
Calculo de la resistencia RD.
V DD =V RD+ V GS V GS=V DS
8 Cada transistor tiene datos diferentes de voltaje Vp y corriente IDSS por lo que primeramente antes de proceder a calcular se debe medir estos valores.
V GS=6 [V ] 12=5 mA ∙ R D + 6
VI. CONCLUSIONES
RD=1.2 kΩ En la figura 17 se muestra la recta de carga de la polarización del MOSFET incremental con configuración de retroalimentación.
Through the practice conducted in the laboratory, we’re able to understand the operation of the JFET and MOSFET transistors, thus deepen the knowledge gained. It was verified that the values obtained in practice through measurements vary with calculations and simulations, this is because in practice the resistance values that came through the calculations, the values were not available, commercial values were used. Using Shockley facilitated most calculations circuits polarizations, and by using this equation the values necessary for the circuit to work resistance was obtained. In the biasing transistors circuits, its necessary to be operational half of the load line, and this was due to know the values of the IDSS current and voltage VGS at which the transistor operates, for these values was due to perform multiple measurements vary voltages.
Figura 17Recta de carga MOSFET incremental
Comparación de valores calculados y simulados: Cuadro VII. MOSFET incremental con configuración en retroalimentación
Calculo
ID V GS V DS
Simulado
5 [mA]
4.98 [mA]
6 [V]
60.21 [V]
6 [V]
60.21 [V]
V. ANÁLISIS DE RESULTADOS Mediante los datos obtenidos en la práctica, las simulaciones y los cálculos previos se puede decir que: Tanto los transistores JFET como los MOSFET tienen una gran impedancia de entrada por su constitución interna y por ende su corriente de compuerta es cero. Los valores tanto medidos, calculados y simulados no difieren de más del 3.1% de error, esto se debe a las resistencias que no son del valor exacto teniendo un margen de error de hasta el 5 % y los instrumentos de medición también no son del todo precisos por lo que lo que difieren en el resultado. Un transistor JFET se puede quemar por un exceso de voltaje VGS o por obtener del transistor un mayor voltaje VDS, ya que estos parámetros vienen indicados en un datasheet.
If you reach the choke voltage transistor operates as an open switch, because the bottleneck occurs not moving electrons through the channel, and when this voltage is zero operates as a closed switch. It was also verified that the enhancement MOSFET type are different depletion MOSFET, since in the enhancement MOSFET needs a positive voltage for them to work. Finally we conclude that for more precise data on measurements instrumentation should be implemented with a minimum error. Mediante la práctica realizada en el laboratorio de analógica se pudo comprender acerca del funcionamiento de los transistores JFET y MOSFET visto en clases de analógica y así profundizar los conocimientos obtenidos. Se verificó que los valores obtenidos en la práctica mediante las mediciones varían con los cálculos y las simulaciones, esto es debido a que en la práctica no se usaron los valores de resistencia que salían mediante los cálculos, ya que al no existir tales valores se usaron valores comerciales. Con el uso de la ecuación de Shockley nos facilitó la mayoría de los cálculos de las polarizaciones de los circuitos, y mediante el uso de esta ecuación se obtuvo los valores de las resistencias necesarias para que el circuito funcione. En los circuitos de polarización de los transistores se necesitaba que estén en funcionamiento de la mitad de la recta de carga, y para eso se debía conocer los valores de la corriente IDSS y el voltaje VGS al que el funciona el transistor, para obtener tales valores se debía realizar varias mediciones varían los voltajes.
9 Si se llega al Voltaje de estrangulamiento el transistor funciona como un interruptor abierto, pues el estrangulamiento produce que no circulen los electrones por el canal, y cuando este voltaje es cero funciona como un interruptor cerrado. Se verifico también en que los MOSFET tipo empobrecimientos comportan de forma similar a los transistores JFET pues la curva característica de la entrada son iguales, con una única diferencia, que en JFET tiene como límite máximo que la corriere I D no debe superar a al corriente IDSS, mientras que en el MOSFET de empobrecimiento se puede superar esa corriente I DSS hasta un cierto valor que indica en el datasheet. También se comprobó que los MOSFET de tipo enriquecimiento son diferentes a los MOSFET de
empobrecimiento, ya que en los MOSFET de enriquecimiento necesita de un voltaje positivo para que estos funcionen. Por ultimo concluimos que para obtener datos más precisos en las mediciones se deberían implementar con instrumentación que tengan un mínimo error.
VII. REFERENCIAS [1]
Electrónica: Teoria de Circuitos – décima edición – Robert L. Bpylestand- Louis Nashelsky.
[2]
Electrónica: Dispositivos Electrónicos 1- edición especial – Francisco Jiménez Molinos.
