DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRONICA I - LABORATORIO 7. 1

ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO DELMOSFET Y EL JFET

Luis Felipe De La Hoz Cubas, María Ilse Dovale Pérez y Michael Forero NaizirDivisión de Ingeniería Electrónica

Universidad del NorteBarranquilla

Abstract�En el siguiente informe se tiene como objetivoprincipal el funcionamiento basico de dos de los transistoresde efecto de campo existentes actualmente en el mercado: elMOSFET y el JFET, es necesario analizar las condicionesparticulares de cada uno para saber en que momento trabajanes sus diferentes regiones para veri�car con detalle que ocurreen cada una de ellas.

I. INTRODUCCION

COMO ya es de saberse existen dos tipos de transistoreslos BJT estudiados anteriormente y los MOSFET en los

que se centrara esta práctica, Los transistores MOSFET o deefecto de campo han desplazado un poco a los BJT, y aunqueambos ofrecen características y areás de aplicación unicas elMOSFET es más utilizado en el diseño de circuitos integrados,los cuales son fabricados en un solo chip de silicio. En formageneral, comparados con los BJT, los transistores MOS ocupanmenos espacio, es decir, dentro de un circuito integrado puedeincorporase un numero mayor de estos.

II. TRANSISTORES MOSFET VS JFET

De una forma breve se explicarán las regiones de operacionen las que trabaja un MOSFET y un JFET, cuáles sonlas características principales de cada una de ellas y quécondiciones deben establecer en el transistor para que opereen dichas regiones. Sabiendo a priori que en los transistoresMOS se de�nen las mismas regiones de operación que en lasdel JFET: corte, triodo, saturación y ruptura.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

corriente ID es nula.En la región de triodo el transistor se comporta como un

elemento resistivo no lineal controlado por tensión.En la región de saturación y la más importante si se trata

de ampli�cación el transistor se comporta como una fuentede corriente controlada por la tensión VGS : En esté caso lacorriente permanece bastante constante y el transistor operamuy bien.En los transistores MOSFET también se puede ver una

región más llamada ruptura en este caso el transistor MOSpuede verse afectado por fenómenos de avalancha en los

terminales drenador y fuente, y roturas en la capa de óxido�no de la compuerta que pueden dañar irreversiblemente aldispositivo.

Siguiendo con el JFET se debe tener en cuenta lo siguiente:

En la región de corte la intensidad entre drenador y fuentees nula (ID = 0).

En este caso, la tensión entre compuerta y fuente es su�-cientemente negativa que las zonas de inversión bloquean y"estrangulan" el canal cortando la corriente entre drenador yfuente. En el datasheet se denomina a esta tensión como deestrangulamiento o pinch-off y se representa por VGS(off) oV p.

En la región triodo el JFET se comporta como una resisten-cia no lineal que es utilizada en muchas aplicaciones dondese precise una resistencia variable controlada por tensión. Eneste caso VGS > V p, por lo tanto VGS � V p � VDS

Al igual que en el transistor MOSFET, en este casotambién existe la region de saturación, en esta región, desimilares características que un BJT en la región lineal, elJFET tiene unas características lineales que son utilizadaspara la ampli�cación, en este caso se comporta como unafuente de corriente controlada por la tensión VGS cuya IDes prácticamente independiente del voltaje VDS , en este casoentonces VDS � VGS � V p , donde V p es el voltaje deestrangulamiento.

Finalmente y como en el caso anterior la región de rupturaen los transistores JFET se produce por tensión alta susterminales, esto puede producir la ya mencionada ruptura poravalancha a través de la unión de puerta. Las especi�cacionesde los fabricantes indican la tensión de ruptura entre drenaje yfuente con la puerta cortocircuitada con la fuente; esta tensiónse designa por BVDSS y su valor está comprendido entra 20y 50V:

A continuación se puede observar una gra�ca de compara-ción de las curvas características de ambos transistores:

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Fig1: Comparación de las curvas caracteristicas de los JFETvs MOSFET

Cabe resaltar que las diferencias mas importantes entre lostransistores MOSFET y JFET son las siguientes:

JFETLa polarización de un JFET (Junction Field-Effect Transis-

tor) exige que las uniones pn estén inversamente polarizadas,para un JFET de canal N, el voltaje del drenaje debe ser mayorque el voltaje de la fuente para que exista un �ujo de corrientea través del canal, además la el voltaje de compuerta debe sermas negativo que el de la fuente para que la unión pn seencuentre polarizada inversamente.Las curvas del JFET son muy parecidas a las de los transis-

tores bipolares, con la diferencia que los JFET son controladospor tensión, mientras que los bipolares por corriente

MOSFETLos transistores MOSFET (Metal-Oxido-Semiconductor)

son dispositivos de efecto de campo, al igual que los JFET, queutilizan un campo eléctrico para crear un canal de conducción.Son dispositivos más importantes que los JFET ya que lamayor parte de los circuitos integrados digitales se construyencon la tecnología MOS.Al igual que los JFET existen dos tipos de transistores MOS,

los P-MOS Y LOS N-MOSLos transistores JFET y MOSFET tienen una estructura

física muy diferente, pero sus ecuaciones analíticas soy muysimilares, por esto los transistores MOS tienen las mismasregiones de operación que los JFET

Es de gran importancia saber en qué consiste el efectode modulación de longitud del canal como bien sabemos lacorriente de del drenaje es proporcional al cociente entre elancho del canal W y su longitud L, de esta forma comodiseñadores se pueden seleccionar los estos valores, paraobtener determinadas curvas características i� v.Para valores mayores de vDS la corriente del drenaje

aumenta cada vez más lentamente; esto se debe a que elextremo del canal más próximo al drenaje se halla polarizadoen inversa a causa de la fuente de tensión vDSA medida que vDS aumenta el canal se alarga más y su

resistencia aumenta de manera correspondiente, por tanto lacaracterística iD � vDS no continúa como recta si no que securva, entonces cuando vDS llega al valor de V t que reduceel voltaje entre compuerta y canal en el extremo del drenaje,la profundidad del canal en el extremo del drenaje disminuyecasi a cero y se dice que el canal está estrangulado; el aumentode vDS más allá de este valor tiene poco efecto en la forma

del canal y la corriente que lo atraviesa permanece constanteal valor alcanzado para vDS = vGS �V t, es entonces cuandoel transistor entra a la región de saturación.

Por último cabe resaltar que el voltaje de umbral de en untransistor MOSFET es un valor que resalta a la hora de diseñarun circuito� esto es debido a que las regiones de operaciónestán directamente relacionadas con este valor, entonces, si nose tiene en cuenta no se podría asegurar la región de operacióndel transistor. Experimentalmente, se puede obtener este valorcon la ayuda del multímetro, en la escala de diodo, midiendoente la compuerta y los otros pines.

El procedimiento se realizó utilizando la siguientemetodología:

En la primera experiencia se montó el circuito de la sigu-iente �gura con el cual se analizó el comportamiento de untransistor MOSFET y sus regiones de funcionamiento, paraesto vDS se �jó a un valor de 0.2V y vGS con un valor inicialde 0V y aumentado solo hasta 5V , para no comprometer asila integridad del transistor.

Fig2: Circuito Montado

Los voltajes y corrientes medidos se pueden observar en lasiguiente tabla y la grá�ca obtenida fue de forma similar a laestudiada de forma teórica.

Tabla1: Cambios en la corriente debido a variaciones en elvoltaje de compuerta para el MOSFET

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Fig3: Grá�ca de voltaje de compuerta contra corriente dedrenaje.

Posteriormente a esto se realizaron una mediciones con unosvoltajes de compuerta �jos, y cambios en el voltaje de drenaje,el voltaje de drenaje se vario de 0 a 5V con incrementos de0.5V, la tabla resultante fue la siguiente

Tabla2: Cambios de corriente debido a variaciones den elvoltaje de drenaje fuente para determinados valores de

voltaje de compuerta para el MOSFET

Con el JFET se hizo algo similar pero a causa de suscaracterísticas, para observar su comportamiento el voltaje enla compuerta tuvo un valor inicial de 0V con decrementos de0.2V hasta -1.4V, veamos a continuación los valores obtenidos:

Tabla3: Cambios en la corriente debido a variaciones en elvoltaje de compuerta para el JFET

De igual forma se identi�có la relacion existente entre elvoltaje entre drenaje y fuente y la corriente de drenaje cuandopermanece a un valor de compuerta �jo. Para diferentes valoresde compuerta, se variaó el voltaje entre drenaje y fuente, yse midió la corriente de drenaje para cada caso, veamos acontinuación la grá�ca:

Tabla4: Cambios en la corriente debido a variaciones en elvoltaje de drenaje fuente para determinados valores de

voltaje de compuerta para el JFET

Por último se realizó el ANALISIS DEL CIRCUITO DEPOLARIZACION:

En este procedimiento se trabaja con la �gura mostrada acontinuación, ya que representa un circuito de polarización deun MOSFET cuando se utiliza una fuente de alimentación. Locual se le aplica un voltaje de polarización de vGS = 15V ,con unas resistencias de Rg1 = 1M, Rg2 = 1M; Rd =4:7K; Rs = 5:304K:se mide los voltajes en cada terminalque se muestran respectivamente escritos en la siguiente tabla.

En la columna donde están los datos medidos fueron losvalores obtenidos en el laboratorio, por consiguiente en la otracolumna en los datos calculados se puso los valores hechos ycalculados asumiendo un voltaje vDS igual a la tercera partedel voltaje de alimentación, los datos obtenidos fueron lossiguientes:

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Fig4: Montaje del circuito en polarización de un MOSFET

Tabla5: Análisis de polarización de un MOSFET

III. CONCLUSIONESFinalmente cabe resaltar que los transistores BJT son

controlados por corriente, puede manejar altas frcuencias ypotencias, se usan como interruptores ampli�cadores y en elárea de comunicaciones.Los transistores tipo FET son controlados por voltaje,

involucra una fabricación de sustrato, dioxido de silicio comoaislante y metal para las terminales, consume poca potencia,se usan en la parte de la electrónica digital y puede fabricarseen tamaños minúsculos. Todos los microprocesadores estánhechos a base de FET donde en un chip, se pueden encontrarmillones de estos transistores, como la corriente es mínimala potencia y calentamiento tiende a cero. Además tiene lacualidad de tener una zona donde se corporta como resistenciapor lo tanto en circuitos integrados se puede usar para suplir alas resistencia por que son mas pequeños que las resistencias.Por último tienen tiempos de conmutación mas rápidos quelos BJT.

A partir de las experiencias realizadas se pudieron sacarunas series de conclusiones gracias a las grá�cas y tablasobtenidas a través de la experiencia, por ejemplo, al realizar lagra�ca iD vs vGS no es posible identi�car las tres regionesde operación del transistor ya que como se sabe las 3 regionesdel transistor son: Triodo, Corte y Saturación, y al gra�car latabla iD-vGSsólo muestra las regiones de Triodo y Saturaciónya que la de corte se encuentra en el eje x es decir cuando lacorriente iD es cero.

Por otra parte se pudo notar que el voltaje de estran-gulamiento de los JFET de canal n es negativo; como enla guía nos piden reducir el voltaje en la compuerta desde0V , hasta los �1:4V con decrementos de -0:2V , y sabemos

que el voltaje de estrangulamiento es cuando el valor delvoltaje de compuerta llegue a un valor donde el canal quedecompletamente libre de portadores, por lo tanto si tenemosun valor máximo de compuerta vGS = 0V , por medio de larelación:vDS(max) = vGS � V p , por lo tanto como el voltaje

de compuerta va de 0 a �1:4V , entonces el voltaje deestrangulamiento va a ser negativo.

Basándonos en las características de cada una de las re-giones de operación del FET, podemos compribar que parafunciones de apli�cación el transistor se debe trabajar en suregión de saturación, esto se debe a que el ancho del canalcerca al drenaje depende tanto del voltaje de compuerta comodel voltaje entre drenaje y fuente, esto indica que es necesario,para mantener el dispositivo en la región de tríodo, asegurarque el voltaje entre drenaje y fuente no aumentaría a tal puntoque vGS�vDS sea igual o menor al voltaje de umbral, porqueen tal caso se dice que el canal está estrangulado, lo que haceque la corriente que circula a través de él permanezca casiconstante para aumentos de vDS por encima del voltaje parael cual ocurrió la estrangulación del canal (vDSsat), el cual seobtiene:vDSsat = vGS�V t lo cual entra en saturación para valores

mayores de ese voltaje, de esta forma la corriente iD semantiene constante permitiendo aumentar el valor de vDS locual permite ampli�car señales deseadas.

Por último conociendo teórica y experimentalmente el com-portamiento de un transistor de unión bipolar a continuación seencuentran descritas las principales semejanzas y diferenciasque estos presentan con respecto a los transistores FET.

Transistores BJT vs Transistores FET

IV. BIBLIOGRAFIA

[1].SEDRA, Adel y KENNETH, Smith. Circuitos Micro-electrónicos. México: Oxford University Press, 2001.[2].MUHAMMAD, Rashid. Circuitos Microelectrónicos:

Análisis y diseño. Estados Unidos: Internacional ThompsonEditores, 1999

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[3].DATASHEET Catalog. Buscador de hojasde datos de dispositivos electrónicos, Online,http://www.datasheetcatalog.net/.[4]. Fuentes de internet :

http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_LED