Transistor Mosfet simulado en programa Pspice PDF

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Simulacion del transistor mosfet en sus estados de operacion npn y pnp utilizando el programa pspice el cual utiliza lenguaje vhdl...

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Universidad de Guadalajara Piensa y trabaja

UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA CUCEI

Ingeniería Actividad 2 SPICE Seminario de solución de problemas de sistemas digitales Sección D07 Alumno: Cruz Esparza Josué Arturo 217757253 Octavo semestre ing. Comunicaciones y electrónica Nombre del profesor: Torres Rodríguez Jesús David Guadalupe Fecha de entrega: 23/03/2021 1

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Transistores MOSFET: MOSFET es un transistor cuyo funcionamiento no se basa en uniones PN, como el transistor bipolar, ya que, en éste, el movimiento de carga se produce exclusivamente por la existencia de campos eléctricos en el interior del dispositivo. Este tipo de transistores se conocen como, efecto de campo JFET (del inglés, Juntion Field Effect Transistor). El transistor MOSFET está basado en la estructura MOS. En los MOSFET de enriquecimiento, una diferencia de tensión entre el electrodo de la Puerta y el substrato induce un canal conductor entre los contactos de Drenador y Surtidor, gracias al efecto de campo. El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal, que también es conocida como la zona de inversión.

Región lineal u Óhmica Cuando un MOSFET está polarizado en la región óhmica, el valor de RDS viene dado por la expresión:

𝑉𝐷𝑆 = 𝐼𝐷 × 𝑅𝐷𝑆 Al polarizarse la puerta con una tensión mayor que la tensión de umbral, se crea una región de agotamiento en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (huecos en PMOS, electrones en NMOS) en la región de agotamiento, que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre drenador y fuente dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta. La corriente que entra por el drenador y sale por la fuente es modelada por medio de la ecuación: 2

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𝐼𝐷 = 𝜇𝑛 𝐶𝑜𝑥

𝑉 2 𝐷𝑆 𝑊 ((𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡ℎ )𝑉𝐷𝑆 − ) 𝐿 2

donde 𝜇𝑛 es la movilidad efectiva de los portadores de carga, 𝐶𝑜𝑥 es la capacidad del óxido por unidad de área, 𝑊 es el ancho de la puerta, 𝐿 es la longitud de la puerta. En casi todas las hojas de datos, asocian el valor de 𝑅𝐷𝑆 a una corriente de Drenaje (𝐼𝐷 ) específica y el voltaje Puerta-Surtidor. Por ejemplo, si 𝑉𝐷𝑆 = 1𝑣 y 𝐼𝐷 = 100𝑚𝐴 = .1𝐴; entonces, 1𝑣 = 10 𝑜ℎ𝑚 𝑅𝐷𝑆 = 100𝑚𝐴 Así mismo, el transistor estará en la región lineal u óhmica, cuando: 𝑉𝐺𝑆 > 𝑉𝑡 𝑦 𝑉𝐷𝑆 < (𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡 ) El MOSFET equivale a una resistencia variable conectada entre el Drenador y Surtidor. El valor de esta resistencia varía dependiendo del valor que tenga la tensión entre la Puerta y el Surtidor (𝑉𝐺𝑆 ).

NMOS en la región lineal. Se forma un canal de tipo n al lograr la inversión del sustrato, y la corriente fluye de drenador a fuente.

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Región de saturación. El transistor MOSFET entra en esta zona de funcionamiento cuando la tensión entre el Drenador y el Surtidor (𝑉𝐷𝑆 ) supera un valor fijo denominado tensión de saturación (𝑉𝑑𝑠 𝑠𝑎𝑡 ) Drenador-Surtidor; este valor viene determinado en las hojas características proporcionadas por el fabricante. En esta zona, el MOSFET mantiene constante su corriente de Drenador (𝐼𝐷 ), independientemente del valor de tensión que haya entre el Drenador y el Surtidor (𝑉𝐷𝑆 ). Por lo tanto, el transistor equivale a un generador de corriente continua de valor ID. Es decir; el MOSFET estará en esta región, cuando: 𝑉𝐺𝑆 > 𝑉𝑡 𝑦 𝑉𝐷𝑆 > (𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡 ) O sea, estaremos en la región de saturación cuando el canal se interrumpe o estrangula, lo que sucede cuando: 𝑉𝐷𝑆 ≥ 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡 → 𝑅𝑒𝑔𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 Cuando la tensión entre Drenador y Fuente supera cierto límite, el canal de conducción, bajo la Puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del Drenador y desaparece. La corriente entre Fuente y Drenador no se interrumpe, es debido al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.

En la figura anterior, la parte casi vertical corresponde a la zona óhmica, y la parte casi horizontal corresponde a la zona activa. El MOSFET de enriquecimiento, puede funcionar en cualquiera de ellas. En otras palabras, puede actuar como una resistencia o como una fuente de corriente. El uso principal está en la zona óhmica. 4

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En esta región la corriente de drenador se modela con la siguiente ecuación: 𝜇𝑛 𝐶𝑜𝑥 𝑊 (𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡ℎ )2 (1 + 𝜆(𝑉𝐷𝑆 − 𝑉𝐷𝑆 𝑆𝐴𝑇 )) 𝐼𝐷 = 2 𝐿

NMOS en la región de saturación. Al aplicar una tensión de drenador más alta, los electrones son atraídos con más fuerza hacia el drenador y el canal se deforma.

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Región subumbral La conducción subumbral o la fuga subumbral o la corriente de drenaje subumbral es la corriente entre la fuente y el drenaje de un MOSFET cuando el transistor está en la región subumbral, o región de inversión débil, es decir, para voltajes de puerta a fuente por debajo del voltaje umbral. En los circuitos digitales, la conducción subumbral se considera generalmente como una fuga parásita en un estado que idealmente no tendría corriente. En los circuitos analógicos de micro potencia, por otro lado, la inversión débil es una región operativa eficiente, y el subumbral es un modo de transistor útil alrededor del cual se diseñan las funciones del circuito.

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Mosfet como interruptor La configuración MOSFET Switch permite controlar una carga y es una de las principales aplicaciones de este tipo de transistor. Es un dispositivo de estructura metal oxido semiconductor. También es un transistor que se controla con voltaje positivo en la compuerta o gate y es usado para amplificar o conmutar señales. El transistor MOSFET desplazó al transistor BJT, el cual es controlado mediante la corriente de base. Además, respecto a los transistores BJT los MOSFET, tienen un consumo menor, tamaño inferior, control con voltaje, independiente de uso de resistencias, velocidades de conmutación mayores, entre otras ventajas. Existe además el MOSFET Canal tipo P el cual se controla con una referencia negativa. Se considerará las regiones de corte y saturación para este caso del transistor MOSFET Canal N. Si el voltaje entre la compuerta y la fuente (o GND) es menor que el voltaje de umbral, el transistor se encuentra en corte. Es decir, las terminales fuente y drenaje no tienen conducción. En el caso en que el voltaje en el pin gate, sea suficientemente grande como para que la conexión entre la fuente y el drenaje se comporte como un corto circuito, está en saturación. El BJT también se puede usar como interruptor. Una de las ventajas de trabajar con transistores tipo MOSFET contra los BJT es que no tenemos que determinar la corriente de entrada. En este caso la corriente de la compuerta se asume prácticamente cero, esto debido a su alta impedancia de entrada. Recordemos que el MOSFET canal N tiene una capa de dieléctrico entre la placa y el substrato base. Esta característica (entre otras) los hace prácticos para su control. Solo tenemos que poner este voltaje del valor adecuado para poder conmutar el transistor. Como referencia en la siguiente figura podemos ver el dieléctrico de color amarillo, las capas metálicas de color negro y el semiconductor rojo y azul.

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Transistor MOSFET canal N y canal P

Región de corte de MOSFET en configuración de interruptor (OFF) La región de corte en el MOSFT canal N se define en base a que el voltaje de entrada. Si este es igual a cero, por lo tanto, la corriente del drenaje es igual a cero, así como el voltaje drenaje fuente. Por lo tanto, en un MOSFET de enriquecimiento, el canal D-S está cerrado. Se dice que el mosfet interruptor está en modo “apagado”. Para un MOSFET canal P el voltaje que se «coloca» en la compuerta tiene que ser negativo respecto a la fuente.

Región de corte 8

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Región de saturación de MOSFET en configuración de interruptor (ON) En la región de saturación (región lineal) el transistor se polariza de tal manera que el voltaje de la compuerta sea máximo. Lo que resulta en una resistencia del canal Rds lo más pequeña posible. Lo que ocasiona una corriente de drenaje máxima, por lo tanto, el MOSFET está en modo conducción y el dispositivo se considera “encendido”. Para un MOSFET canal P, el potencial de la compuerta tiene que ser negativo respecto a la fuente

Región de saturación. Para el transistor MOSFET interruptor o switch, solo tenemos que llevar el voltaje a un nivel determinado. De tal manera que la corriente del drenaje sea lo suficientemente grande para la función de interruptor. El voltaje de umbral (Vth), es el voltaje mínimo a partir de cuándo el MOSFET comienza a conducir. Rds es la resistencia del MOSFET interruptor entre el drenaje y fuente.

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Transistor MOSFET en función de INVERSOR como compuerta lógica Un circuito inversor emite un voltaje que representa el nivel lógico opuesto a su entrada. Los inversores pueden construirse usando un único transistor NMOS o un solo transistor PMOS junto con una resistencia. Desde este enfoque, la 'fuga resistiva' utiliza solamente un único tipo de transistor, que puede ser fabricado a bajo costo. Sin embargo, debido a la corriente fluye a través de la resistencia en uno de los dos estados, la configuración de fuga resistiva se encuentra en desventaja para el consumo de energía y velocidad de procesamiento. Alternativamente, los convertidores pueden construirse usando dos transistores complementarios en una configuración de CMOS. Esta configuración reduce en gran medida el consumo de energía ya que en ambos estados lógicos uno de los transistores está siempre apagado. También se puede mejorar la velocidad de procesamiento debido a la resistencia relativamente baja en comparación con los dispositivos solo NMOS o solo PMOS. Los inversores también pueden ser construidos con transistores de unión bipolar (BJT), ya sea en una lógica resistencia-transistor (RTL) o una configuración de lógica transistor-transistor (TTL). Los circuitos electrónicos digitales funcionan a niveles de voltaje fijos que corresponden a un 0 lógico o 1 (ver binario). Un circuito inversor sirve como la puerta lógica básica para cambiar entre los dos niveles de tensión. La aplicación determina la tensión real, pero los niveles comunes incluyen (0, + 5V) para circuitos TTL.

Inversor NMOS 10

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Inversor PMOS Como puede observarse en el diagrama la función de inversor esta dada simplemente por la ubicación de la resistencia y su punto de medida, dicha ubicación es determinada en base a la arquitectura del MOSFET ya sea por su construcción PMOS o NMOS, el símbolo para representar la función de inversor es el siguiente:

Símbolo tradicional de la compuerta NOT o inversor Al ser un funcionamiento tipo inversor esto quiere decir que toda señal lógica de entrada será entregada a la salida en su inversa, dando como resultado la siguiente tabla de verdad:

H L

Dicha tabla es la representación con una sola señal de entrada en donde a la salida del primer estado la representación con la letra “H” significa un estado “HIGHT” o alto después de una entrada contraria y en el segundo estado la representación “L” corresponde a un estado “LOW” o bajo después de una entrada respectivamente inversa.

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Parte 4. Capture el circuito del inversor en un archivo de texto código SPICE de extensión .sp. Emplee SPICE para hacer una simulación de barrido .dc del Inversor para obtener su curva de transferencia de voltaje𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑣𝑠 𝑉𝑖𝑛. Con la finalidad de hacer una simulación más cercana a las condiciones reales, asegúrese de poner otro Inversor como carga a la salida del primer inversor.

Circuito inversor con transistores PMOS y NMOS

Grafica del voltaje de entrada 12

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Voltaje de salida inversor 1

Voltaje de salida inversor 2

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