Por que demora um certo tempo para um diodo mudar da polarização direta para a reversa? O que é necessário para que ele pare efetivamente de conduzir?
Passo 1
O enunciado pergunta duas coisas claras: (1) por que um diodo demora um certo tempo para mudar de polarização direta para polarização reversa; (2) o que é necessário para que ele pare efetivamente de conduzir.
Informações implícitas que vou usar (não pedirei nada a você): o diodo aqui é, na prática, um diodo semicondutor tipo PN (o caso mais comum em eletrônica digital e potência). Vou explicar passo a passo o que fisicamente causa a demora e qual condição elétrica precisa acontecer para que a condução cesse.
Informações implícitas que vou usar (não pedirei nada a você): o diodo aqui é, na prática, um diodo semicondutor tipo PN (o caso mais comum em eletrônica digital e potência). Vou explicar passo a passo o que fisicamente causa a demora e qual condição elétrica precisa acontecer para que a condução cesse.
Passo 2
Primeiro, vamos lembrar como um diodo PN conduz em polarização direta, de um jeito bem didático.
Quando aplicamos uma tensão direto no diodo (anodo mais positivo que o catodo), a barreira de potencial da junção diminui e os portadores majoritários atravessam a junção. Além disso, há acumulação de portadores minoritários injetados em cada lado: elétrons injetados do lado P e lacunas injetadas do lado N. Esses portadores injetados ficam “armazenados” nas regiões neutras próximas à junção enquanto a corrente direta flui. Esse armazenamento é a chave para a demora no comutamento.
Quando aplicamos uma tensão direto no diodo (anodo mais positivo que o catodo), a barreira de potencial da junção diminui e os portadores majoritários atravessam a junção. Além disso, há acumulação de portadores minoritários injetados em cada lado: elétrons injetados do lado P e lacunas injetadas do lado N. Esses portadores injetados ficam “armazenados” nas regiões neutras próximas à junção enquanto a corrente direta
Passo 3
Vamos formalizar a ideia de carga armazenada. Chame de
a carga total de portadores minoritários armazenada na região perto da junção enquanto o diodo está em condução direta. Um modelo simples e muito usado é que, em regime estacionário com corrente direta
, a carga armazenada é proporcional à corrente e à vida média dos portadores
(tempo típico de recombinação):
O que isso significa em palavras: se eu mantenho uma corrente
por um tempo longo comparado com
, fico com uma certa quantidade de carga “extra” acumulada; quanto maior
(portadores demoram a recombinar), maior
.
Passo 4
Agora o que acontece ao inverter a tensão (quero aplicar polarização reversa): instantaneamente passo a ter uma tensão que tende a esvaziar a junção, mas a carga armazenada
não desaparece magicamente — ela precisa ser removida. Existem duas maneiras dessa carga sumir: recombinação (os portadores se recombinam localmente) ou serem “varridos” pela corrente reversa (um fluxo de corrente que retira os portadores). Enquanto houver essa carga armazenada a junção ainda permite corrente significativa, então o diodo continua a “conduzir” por um tempo mesmo estando polarizado reversamente.
Passo 5
Para entender o tempo que isso leva, imagine que ao aplicarmos a tensão reversa aparece uma corrente reversa momentânea
que age para remover
. Aproximação simples e muito utilizada:
Substituindo
temos a forma prática:
Interpretação: se eu tinha uma corrente direta grande
antes da troca, e o gerador reverso só fornece uma pequena corrente
para “puxar” a carga, o tempo
ficará grande. Se o gerador reverso fornecer uma corrente grande, o tempo será menor. Esse tempo é chamado de tempo de armazenamento (parte do tempo de recuperação reversa,
, em aplicações de comutação).
Passo 6
Um exemplo numérico para ficar concreto (faça as contas na prova do mesmo jeito, sem calculadora se for só estimativa): suponha
e
. Então
. Se ao inverter eu tenho uma corrente reversa média
para retirar essa carga, então
Se
fosse só
, o tempo seria
. Mostra bem por que a corrente reversa disponível e a carga armazenada controlam a demora.
Passo 7
Explico um pouco sobre outras grandezas que aparecem e por que alguns diodos são mais rápidos:
- A vida média dos portadores
depende do material e do processo de fabricação. Quanto menor , mais rápido os portadores recombinam e menos carga se acumula; diodos rápidos têm pequeno. - Existe uma capacitância de difusão chamada
associada a essa carga armazenada. Um modelo comum dá:
Num contexto aproximado, como
e
depende fortemente de
, a capacitância de difusão pode ser grande quando o diodo está em forte condução direta, e isso também atrasa a resposta a mudanças de tensão (é efeito dinâmico).
- Schottky diodes são mais rápidos porque a condução é por portadores majoritários (não há grande injeção de portadores minoritários nem grande
); portanto não há esse armazenamento significativo. Já diodos PN clássicos e diodos de potência têm recuperação reversa lenta.
Passo 8
O que é necessário para que o diodo pare efetivamente de conduzir? Resposta direta e prática: é necessário remover a carga armazenada
de modo que a junção volte ao estado sem portadores injetados e a região de depleção se restabeleça. Em termos elétricos, isto ocorre quando a corrente de extração/recombinação já eliminou os portadores extras; depois disso o diodo passa a bloquear a tensão reversa (exceto pela pequena corrente de fuga ou até ocorrer avalanche). Em resumo: parar de conduzir =
e, portanto, restauração da barreira e da região de depleção.
Passo 9
Algumas observações práticas que você pode citar na prova ou usar pra lembrar:
- O tempo total que vemos em uma comutação direta→reversa é o tempo de armazenamento
mais um tempo de transição (às vezes chamado em literatura) durante o qual a corrente reversa decresce de pico até o nível de fuga. - A corrente reversa momentânea pode ser maior que a corrente de operação normal por causa da extração da carga — isso causa perdas e picos de tensão em circuitos práticos. Por isso, em aplicações de alta velocidade usa-se diodos rápidos ou Schottky, ou circuitos que limitam o pico de corrente reversa (snubbers, etc.).
- A temperatura aumenta
e geralmente aumenta a tendência ao armazenamento, então a velocidade pode piorar com temperatura.
Passo 10
Resumo didático (para você decorar a ideia e aplicar rápido na prova):
- O atraso existe porque durante a condução direta há carga armazenada de portadores minoritários
. - Ao inverter a tensão essa carga precisa ser removida por recombinação ou por uma corrente reversa que “puxe” os portadores. Enquanto
não for eliminada, o diodo continua conduzindo. - Estimativa prática:
e . - Para parar efetivamente de conduzir:
deve ser removida (ou recombinada) e a região de depleção deve ser restabelecida; então o diodo só terá a corrente de fuga reversa (pequena) e bloqueio da tensão.
Resposta
Demora porque, em polarização direta, há carga armazenada de portadores minoritários
perto da junção; ao inverter a polarização essa carga não some instantaneamente e precisa ser removida por recombinação ou por uma corrente reversa que a extraia.
Para que o diodo pare efetivamente de conduzir é necessário que essa carga armazenada seja eliminada ( ), ou seja, que a região de depleção volte a ser restabelecida; eletricamente isto exige tempo de armazenamento
suficiente para a recombinação/extração da carga (aproximadamente
).
Para que o diodo pare efetivamente de conduzir é necessário que essa carga armazenada seja eliminada (