Como o FET é um dispositivo controlado por tensão?
O transistor de efeito de campo (FET) é um tipo de transistor cuja operação é controlada pela tensão aplicada ao terminal da grade (gate). Isso o diferencia dos transistores bipolares de junção (BJT), que são controlados pela corrente. Nos FETs, o controle da corrente entre o dreno (drain) e a fonte (source) é feito por meio da variação da tensão na grade, o que altera a condutividade de um canal sem condutores entre o dreno e a fonte. O princípio fundamental do FET é que a condução do canal entre o dreno e a fonte pode ser modulada pela tensão aplicada na grade, o que faz deste dispositivo um componente controlado por tensão.
Estrutura e Funcionamento Básico do FET
O FET é composto por três terminais principais: o dreno (D), a fonte (S) e a grade (G). O FET pode ser de vários tipos, mas o mais comum é o MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). O MOSFET é caracterizado por ter uma camada de óxido isolante entre a grade e o canal, o que permite o controle da condução do canal por uma tensão elétrica na grade.
A tensão aplicada na grade do FET (VGS) cria um campo elétrico que influencia a condutividade do canal formado entre o dreno e a fonte. Em um MOSFET de canal N, por exemplo, quando uma tensão positiva é aplicada à grade em relação à fonte, ela atrai portadores de carga negativa (elétrons) para a região de canal, formando um caminho condutor entre o dreno e a fonte. Isso permite que a corrente flua do dreno para a fonte. No caso de um MOSFET de canal P, uma tensão negativa na grade em relação à fonte forma um canal condutor, permitindo a passagem de portadores de carga positiva (lacunas) do dreno para a fonte.
Controle da Corrente pelo Campo Elétrico
O aspecto mais importante do FET é o controle da corrente através do campo elétrico gerado pela tensão de gate. Quando a tensão aplicada à grade (VGS) excede um valor crítico chamado tensão de limiar (Vth), um canal condutor se forma no material semicondutor entre o dreno e a fonte. Esse canal pode ser de tipo N ou P, dependendo do tipo de MOSFET (canal N ou canal P). Quando o canal é formado, a corrente começa a fluir entre o dreno e a fonte, com a magnitude da corrente dependendo da tensão de dreno-fonte (VDS).
Em contraste, quando a tensão na grade é inferior ao limiar (VGS < Vth), o canal condutor se fecha, interrompendo o fluxo de corrente entre o dreno e a fonte. Esse modo de operação é conhecido como “off” (desligado). Portanto, a condução no FET é diretamente controlada pela tensão aplicada à grade, tornando-o um dispositivo controlado por tensão.
Modulação da Corrente pelo FET
Uma característica importante dos FETs, particularmente dos MOSFETs, é a relação não linear entre a tensão de grade (VGS) e a corrente de dreno (ID). Essa relação é fundamental para a operação de amplificação dos MOSFETs. Quando o FET está em operação, a corrente que passa do dreno para a fonte depende não apenas da tensão VDS (tensão entre o dreno e a fonte), mas também da tensão VGS (tensão entre a grade e a fonte). A corrente de dreno pode ser controlada em uma faixa ampla, com pequenas variações na tensão de gate, o que torna o FET adequado para amplificação e comutação em circuitos de alta eficiência.
Modos de Operação do FET
O FET pode operar em diferentes modos dependendo das tensões aplicadas à grade e ao dreno. Esses modos de operação incluem:
- Modo de corte: Quando a tensão VGS está abaixo do limiar (Vth), o canal não se forma e não há corrente fluindo entre o dreno e a fonte. Esse é o estado “off” do transistor.
- Modo linear (ou modo triode): Quando VGS está acima de Vth e a tensão VDS é pequena, o FET age como uma resistência controlada por tensão. Isso ocorre principalmente em aplicações de comutação.
- Modo de saturação: Quando VGS está acima de Vth e VDS é suficientemente grande, o FET entra no modo de saturação, onde se comporta como uma fonte de corrente constante. Esse é o modo de operação usado em amplificadores.
Em todos esses modos, a corrente de dreno (ID) é controlada pela tensão aplicada na grade, e isso permite que o FET funcione como um amplificador de sinais.
Vantagens do Controle por Tensão
Uma das principais vantagens do FET em relação aos transistores bipolares de junção (BJT) é que ele é um dispositivo de controle por tensão e não por corrente. Isso significa que o FET requer uma corrente muito pequena para controlar a corrente entre o dreno e a fonte, o que resulta em uma maior eficiência energética. Como não há necessidade de corrente significativa na entrada (como ocorre nos BJTs), o FET consome menos energia e pode ser usado em circuitos de baixo consumo, como amplificadores de áudio e circuitos lógicos.
Além disso, devido ao seu controle por tensão, o FET apresenta uma alta impedância de entrada, o que significa que ele não afeta significativamente os sinais que ele recebe. Isso é importante para circuitos sensíveis, onde a preservação da integridade do sinal é fundamental.
O transistor de efeito de campo (FET) é um dispositivo amplamente utilizado que é controlado por tensão em vez de corrente, como ocorre com os BJTs. A tensão aplicada à grade do FET regula a formação do canal condutor entre o dreno e a fonte, controlando assim a corrente que flui entre esses terminais. Essa característica torna o FET adequado para uma variedade de aplicações, incluindo amplificação e comutação. Além disso, o FET oferece vantagens significativas, como baixo consumo de energia e alta impedância de entrada, o que o torna essencial em muitos circuitos eletrônicos modernos.