Os transístores de efeito de campo (TEC) ou ainda "field efect transistors" (FET) são dispositivos de características excepcionais, que podem substituir com vantagens os transístores comuns em inúmeras aplicações. Veja neste artigo como funcionam e como usar estes importantes dispositivos semicondutores.
O transístor de efeito de campo, ao contrário do que muitos possam pensar, não é um dispositivo novo. Na verdade, ele existe desde a década de 50, tendo sido, entretanto, fabricado somente depois de 1960.
Para entender como funciona um transístor de efeito de campo, que opera de modo bem diferente dos transístores bipolares, é importante que os leitores se recordem do princípio de funcionamento das válvulas, especificamente a válvula tríodo, que é o seu mais próximo -parente" em matéria de comportamento.
Na verdade, enquanto os transístores comuns (bipolares) são típicos amplificadores de corrente, as válvulas eletrônicas são amplificadoras de tensão como os transístores de efeito de campo.
Vejamos então seu funcionamento:
Funciona o TEC ou FET
Na figura 1 temos a estrutura simplificada de uma válvula tríodo.
Quando o filamento aquece o catodo, são emitidos elétrons que, dada sua carga negativa, são atraídos pela placa (anodo) que será polarizada positivamente.
A grade colocada no caminho pode controlar o fluxo de elétrons, dependendo de sua polaridade. Se a grade estiver negativa, ela repele os elétrons, evitando sua passagem para o anodo. A corrente de anodo é, portanto, mínima ou nula.
Se a grade estiver positiva, ela atrai os elétrons, acelerando-os em direção ao anodo. A corrente de anodo é, portanto, máxima.
Veja que, neste caso, é a tensão de grade que controla a corrente de placa, já que a corrente que circula pela grade é mínima. Veja a figura 2.
No caso do transístor de efeito de campo, o que temos é uma estrutura simplificada, como a mostrada na figura 3.
A corrente que circula entre a fonte source = S) e o dreno (drain = d) pode ser controlada por uma carga apresentada pela comporta (gate = g).
Dependendo da polaridade da carga da comporta, podemos estreitar ou alargar o "canal" e assim controlar o fluxo de corrente no transístor.
Veja então que praticamente não circula corrente pelo eletrodo de comporta num transístor de efeito de campo. Isso significa que não há corrente de controle, como num transístor bipolar comum, o que eleva enormemente a impedância de entrada deste tipo de dispositivo.
Assim, os transístores de efeito de campo, na configuração mais comum que é a de fonte (source) comum, apresentam uma impedância de dezenas de megohms, ao lado de apenas alguns quilohms dos transistores bipolares comuns na configuração de emissor comum. Veja figura 4.
Na figura 5 mostramos o transístor de efeito de campo polarizado das três maneiras convencionais, equivalentes ao transístor bipolar comum.
Na figura 6 temos as curvas de comportamento de um transístor comum de efeito de campo, mostrando que estas estão muito mais próximas das obtidas para uma válvula pêntodo do que de um transístor bipolar.
Existem diversos tipos de transístores de efeito de campo, mas nos dedicaremos apenas aos dois principais.
Tipos de FETs ou TECs
O primeiro tipo de transístor de efeito de campo é o FET de junção ou J-FET, que pode ser tanto do tipo N como do tipo P. Seus símbolos são mostrados na figura 7.
A estrutura de um FET do tipo N é mostrada na figura 8, observando-se que a seta de base (ao contrário da seta de emissor) aponta para dentro.
Entre a fonte e o dreno existe um canal único de material tipo N, por onde circula a corrente principal. Veja que, ao contrário dos transístores comuns, a corrente principal, neste caso, se constitui de um único tipo de portadores de carga. No caso do silício N, em elétrons livres.
A comporta consiste numa região difusa de silício P, onde é aplicada a tensão de controle. Veja que não podemos polarizar esta junção PN no sentido direto, pois, circulará uma corrente entre a comporta e o canal. O transístor funciona polarizado inversamente, neste caso.
Outro tipo de transístor de efeito de campo é o MOS - FET (Metal Oxide Semiconductor), cuja estrutura é mostrada na figura 9.
Estes são componentes em que a porta é isolada do canal, conforme podemos observar. Suas características permitem obter uma impedância de entrada ainda maior do que a dos transístores FET de junção. Valores típicos podem chegar a 1014 ohms!
Analisemos o funcionamento de um MOSFET.
Funcionamento
Suponhamos inicialmente que a porta, o dreno e a fonte estejam ligados à massa.
Neste caso, a porta e o substrato formam as placas de um capacitor, ficando a capa de óxido que existe entre eles o dielétrico, conforme mostra a figura 10.
Quando aplicamos uma tensão negativa à porta, este capacitor se carrega, aparecendo uma carga negativa que repele os elétrons móveis que ocupam a região superficial do substrato, entre o dreno e a fonte. Esta região fica desprovida de cargas móveis, apresentando apenas cargas positivas fixas.
Se for aplicada uma tensão negativa entre o dreno e a fonte, nenhuma corrente circulará. Veja a figura 11.
Se a tensão da comporta for mais negativa, a partir de certo momento, chamado tensão de umbral (pinch-of voltage) aparece uma carga positiva móvel nesta região superficial do substrato, ou seja, o canal.
Nestas condições terá sido criado um canal de condução, ou que o canal se inverteu, já que, nesta região, o material semicondutor passou do tipo P para o tipo N. Este canal colocará em contato elétrico ôhmico a fonte e o dreno.
Sempre que for aplicada uma tensão negativa ao dreno, circulará uma corrente pelo canal até a fonte, e ela será tanto mais intensa, quanto maior a tensão do dreno.
Ao cair a tensão da porta (sempre além da tensão de umbral), modifica-se o número de portadores de cargas móveis do canal, modulando-se assim sua resistência e. consequentemente, controlando-a corrente principal que fui pelo semicondutor. Veja a figura 12.
Esta corrente de dreno produz uma queda de tensão no canal, tal que há uma oposição ao efeito produzido, o que origina uma contração do canal do lado dreno.
Quando a queda de tensão se torna suficientemente elevada para contrair totalmente o canal, a corrente de dreno tende a saturação, não aumentando mais sob a influência da tensão de comporta. Diz-se. nestas condições, que o transístor está saturado ou contraído (em inglês diz-se que chegamos ao "pinch-off").
Na figura 13 temos uma família típica de curvas de um transístor de efeito de campo MOS.
Existem nestas curvas duas regiões, cujos nomes vêm do comportamento equivalente das válvulas. Assim, temos a região "triódica',' em que o canal não está totalmente contraído, e que a corrente de dreno é função da tensão de dreno, e a região "pentódica',' onde o canal está contraído, e a corrente de dreno é função da tensão de porta e independe da tensão de dreno.
O que temos neste exemplo é um transístor de canal P do tipo "de enriquecimento" porque, pela tensão de comporta, aumenta-se o número de portadores de carga do canal principal.
Existem também os tipos de "empobrecimento" que funcionam de modo diferente.
Na figura 14 temos a estrutura de um transístor MOS deste tipo.
Seu funcionamento é semelhante, mas são acrescentadas impurezas nos materiais semicondutores que criam uma região P ou N (conforme o tipo de transístor) na região superficial do substrato entre a fonte e o dreno, onde se forma o canal.
Temos então 4 tipos de transistores MOS, que têm os símbolos mostrados na figura 15.
Polarização
No caso do transístor MOS, a polarização deve ser feita de modo que o ponto de repouso se encontre na região pentódica da curva característica, conforme um dos diagramas mostrados na figura 16.
Três são as configurações possíveis, semelhantes a dos transistores e válvulas, que são mostradas na figura 17.
Na configuração de fonte comum, obtemos uma inversão de fase para o sinal, de 180 graus. O ganho médio de tensão é de 20 vezes, e a resistência de carga tem tipicamente 10 k ohms de valor.
Na configuração de dreno comum, a saída tem a mesma fase que a entrada. O ganho típico de tensão é de 0,9 e a resistência de carga Rs tem valores típicos de 10k.
Na configuração de comporta comum, a saída tem a mesma fase que a entrada, o ganho típico de tensão é de 20 vezes e a resistência de carga tem um valor típico também de 10k.
