Lab 1 Caracterizacion MOSFETs

8/18/2019 Lab 1 Caracterizacion MOSFETs

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IEN 7220 Preparado por David Vera, José Manjarrés y Mauricio Pardo, Enero, 2016

Departamento de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaAsignatura: IEN7220 - Electrónica III

Laboratorio I CARACTERIZACIÓN DE TRANSISTORES NMOS Y PMOS

Objetivo General Caracterizar transistores discretos tipo MOSFET para corroborar/complementar los modelos desimulación que favorecerán la experimientación en laboratorio de las unidades temáticas cubiertas enla asignatura.

Materiales Fuentes de AlimentaciónGenerador de OndaMultímetrosResistores de 220! Transistor NMOS 2N7000 o similarTransistor PMOS ZVP2106A o similarSoftware de Simulación LTSpice o similar

Modelos de los transistores utilizados

Procedimiento Obtenga de manera práctica y simulada los valores de Resistencia de Early r o, k(W/L) y voltaje deumbral V t de los transistores 2N7000 y ZVP2106A. Por simplicidad y usando terminología usada en lacomunidad académica, el término k n(W/L) será denotado como "n y k p(W/L) "p.


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1. Obtención del Voltaje deUmbral

Obtención del Voltaje de Umbral del2N7000 via simulación

El circuito mostrado en la siguiente figura representa una configuración básica para establecer losvalores con los cuales se caracterizará el transistor NMOS.

Cree un nuevo esquemático en LTSpice y guárdelo en su carpeta de trabajo. Luego, agregue untransistor NMOS y haciendo ctrl + click derecho sobre su símbolo, abra el editor de atributos decomponentes. Posteriormente, cambie el prefijo por una X y coloque en el campo de Value 2N7000. Copie el archivo adjunto 2N7000.LIB y péguelo en la carpeta donde está el esquemático.En LTSpice incluya una directiva de spice que le permita usar el archivo 2N7000.LIB. Añada lasfuentes de voltaje y el resistor como se observa en la figura anterior. Finalmente, simule usando elanálisis DC Sweep para V G de 0 a 9V y obtenga la gráfica de I d vs. V gs.

Qué regiones observa en la gráfica obtenida?Cuál es el voltaje umbral de este transistor? Justifique.Compare el voltaje umbral obtenido con la hoja de datos adjunta. Si existe alguna diferenciaapreciable. Cuáles son las posibles causas de ello?

Obtención del Voltaje de Umbral del2N7000 via medición

Implemente el circuito de la figura anterior usando una protoboard . Antes de energizar el circuito,establezca el número de mediciones y los valores que V G tomará en cada caso. Luego, fije losvalores de V D en 9V y V G en 0V para iniciar sus mediciones. Disponga de un multímetro para medirV gs y otro para medir I d , y varíe V G según lo ha establecido. Para cada punto de medición, tome

nota del valor de I d . Una vez haya terminado de tomar mediciones, haga una gráfica de I d vs. V gs.Puede ayudarse de herramientas como Excel o Matlab.

Cuál es el voltaje umbral en la práctica?Compare el V t obtenido con el de la simulación y con el de la hoja de datos. Qué tan parecidos sonestos valores entre sí? Calcule porcentajes de error. Si hay alguna diferencia indique cuáles seríanlas posibles causas.

2N7000

+

-

+

- 9V

V G

220 !


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Obtención del Voltaje de Umbral delZVP2106A via simulación

Cree un nuevo esquemático en LTSpice y guárdelo en su carpeta de trabajo. Luego, agregue untransistor PMOS y haciendo ctrl + click derecho sobre su símbolo, abra el editor de atributos decomponentes. Posteriormente, cambie el prefijo por una X y coloque en el campo de Value ZVP2106A. Copie el archivo adjunto ZVP2106A.LIB y péguelo en la carpeta donde está elesquemático.En LTSpice incluya una directiva de spice que le permita usar el archivo ZVP2106A.LIB. Añada lasfuentes de voltaje y el resistor como se observa en siguiente figura. Finalmente, simule usando elanálisis DC Sweep para V G de 0 a 9V y obtenga la gráfica de I d vs. V sg .

Qué regiones observa en la gráfica obtenida?

Cuál es el voltaje umbral de este transistor? Justifique.Compare el voltaje umbral obtenido con la hoja de datos adjunta. Si existe alguna diferenciaapreciable. Cuáles son las posibles causas de ello?

Obtención del Voltaje de Umbral delZVP2106A via medición

Implemente el circuito de la figura anterior usando una protoboard . Antes de energizar el circuito,establezca el número de mediciones y los valores que V G tomará en cada caso. Luego, fije losvalores de V S en 9V y V G en 0V para iniciar sus mediciones. Disponga de un multímetro para medirV sg y otro para medir I d , y varíe V G según lo ha establecido. Para cada punto de medición, tomenota del valor de I d . Una vez haya terminado de tomar mediciones, haga una gráfica de I d vs. V sg .Puede ayudarse de herramientas como Excel o Matlab.

Cuál es el voltaje umbral en la práctica?

Compare el V t obtenido con el de la simulación y con el de la hoja de datos. Qué tan parecidos son

estos valores entre sí? Calcule porcentajes de error. Si hay alguna diferencia indique cuáles seríanlas posibles causas.

ZVP2106A

+

-

+

- 9V

V G220 !


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2. Obtención de !n y !p

Obtención de "n y "p via simulación Utilizando la expresión de la corriente de drenaje de un NMOS en la región de saturación, obtengauna fórmula para "n que dependa de voltajes y corrientes del circuito. Posteriormente, modifique suesquemático en LTSpice de tal manera que el transistor opere en saturación. Luego, identifique losrespectivos nombres de los voltajes y las corrientes de interés en su esquemático, y grafique "n vs.V gs en este software haciendo uso de la disponibilidad para introducir fórmulas en su herramientagraficadora. Para facilitar determinar los nodos y ramas de interés puede utilizar la herramienta deetiquetado del software de simulación.

Qué apreciaciones tiene de la gráfica?Cuál es el "n del transistor en región de saturación?Compare con el datasheet, si es posible, y con la información del modelo spice. Hay diferencias enlos valores? Si las hay, a qué se deben?

Repita el procedimiento anterior, pero esta vez para la simulación del ZVP2106A y grafique "p vs.V sg . Señale características importantes de la gráfica.

Cuál es el "p del transistor en región de saturación?Compare con el datasheet si es posible y con la información del modelo spice. Hay diferencias en losvalores? Si las hay, a qué se deben?

Obtención de "n y "p via medición Con las gráficas experimentales de I d vs. V gs, obtenga las gráficas de "n vs. V gs y "p vs. V sg ,respectivamente.

Compare estas gráficas con las obtenidas por el software.Obtenga "n y "p experimentales y compare con los resultantes de las simulaciones y de los modelosspice. Calcule porcentajes de error

3. Obtención de la resistencia deEarly

Obtención de la resistencia de Earlyvia simulación

En la siguiente figura se puede observar la gráfica de I d vs. V ds de un NMOS con la cual se puedeobtener el Voltaje y la Resistencia de Early graficando con distintos valores de V gs. Realice lasmodificaciones necesarias en sus esquemáticos y en sus comandos de simulación para obtener lo

observado en dicha figura. Una vez obtenga las gráficas, calcule la Resistencia de Early y estime elVoltaje de Early de acuerdo a lo observado.


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Obtención de la resistencia de Earlyvia medición

Modifique los circuitos utilizados para obtener los voltajes de umbral quitando los resistores en losdrenajes. Inicialmente, establezca la cantidad de muestras que tomará para realizar cada gráfica, ycalcule los valores que debe tomar el voltaje de compuerta con respecto al voltaje de umbral paracumplir con lo observado en la figura que muestra el efecto Early. Tenga en cuenta el valor devoltaje de umbral que obtuvo experimentalmente. Disponga de un multímetro para medir el voltajeentre drenaje y fuente, y otro para medir la corriente de drenaje. Luego, fije el voltaje de compuertaen cada uno de los valores previamente establecidos, y en cada caso varíe el voltaje entre drenajey fuente, y tome nota del valor de la corriente drenaje. Obtenga las gráficas necesarias. Estime V A ycalcule r o en cada caso.

Qué difiere entre la gráfica experimental y la simulada?Hay diferencias entre los valores de las gráficas de un mismo transistor?Existen diferencias significativas entre los valores de ro y VA hallados? Si las hay, a qué se deben?Qué influencia pueden tener en los datos previamente encontrados?Qué diferencias hay entre los valores del NMOS y los del PMOS? Si las hay, a qué se deben estasdiferencias?

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