Discorra detalhadamente sobre a variação do comportamento da corrente em uma junção PN polarizada diretamente e reversamente, com ênfase nos seguintes aspectos:
- Como o campo elétrico da região de depleção atua em cada caso;
- O papel da temperatura na corrente de saturação reversa;
- A influência da dopagem na largura da junção e na tensão de ruptura;
- Em que condições a corrente reversa pode se tornar catastrófica.
Sua resposta deve apresentar clareza conceitual, vocabulário técnico e preciso.
Passo 1
O enunciado pede uma análise comparativa da corrente num diodo de junção PN quando polarizado diretamente e reversamente, enfatizando quatro pontos: atuação do campo elétrico na região de depleção, papel da temperatura na corrente de saturação reversa, influência da dopagem em largura de junção e tensão de ruptura, e condições para que a corrente reversa se torne catastrófica. Para isso, vamos usar os conceitos de barreira de potencial, largura da região de depleção, correntes de difusão e deriva, dependência térmica da corrente de saturação e mecanismos de avalanche e zener.
Passo 2
Em polarização direta a barreira interna é reduzida, o que faz o campo elétrico
da região de depleção diminuir e a largura
da camada de carga espacial encolher. Nesse cenário os portadores minoritários são injetados intensamente de cada lado da junção e a corrente de difusão domina. O diodo exibe a conhecida lei exponencial
onde
é a tensão aplicada,
a carga do elétron,
a constante de Boltzmann e
a temperatura. Como o campo elétrico
se opõe à difusão mas está reduzido, a injeção de elétrons e lacunas atravessa livremente a junção.
Passo 3
Em polarização reversa o sinal de
aumenta a barreira de potencial, o campo elétrico
na região de depleção cresce e
se alarga, criando uma zona praticamente livre de portadores majoritários. A corrente residual é dada pela deriva de portadores minoritários e se aproxima de uma constante chamada corrente de saturação reversa
. Nesse regime, mesmo com aumento de
, a corrente permanece aproximadamente
Passo 4
O valor de
depende fortemente da temperatura porque está relacionado à geração térmica de pares elétron–lacuna no volume de depleção e nos volumes de difusão adjacentes. Aproximadamente
onde
é a largura de banda proibida do semicondutor. Assim, um pequeno aumento de
eleva exponencialmente
, degradando o bloqueio reverso e aumentando o risco de runaway térmico.
Passo 5
A dopagem dos dois lados da junção (densidades
e
) controla
e a tensão de ruptura
. A largura da depleção em regime reverso pode ser estimada por
onde
é a permitividade do semicondutor e
a tensão built-in. Junções muito fortemente dopadas (valores altos de
) têm
pequeno, gerando campos
altos mesmo para tensões baixas e, portanto, tensão de ruptura baixa (efeito zener dominante). Junções moderadamente dopadas têm
maior e entram em avalanche a tensões mais elevadas.
Passo 6
A corrente reversa pode se tornar catastrófica se a tensão aplicada ultrapassar
sem limitação externa, pois ocorre ionização por avalanche ou túnel (no caso de zener) e surge um aumento rápido de corrente. A elevada dissipação de potência
provoca aquecimento local, redução de
por efeito térmico e formação de “hot spots” que podem fundir a junção. Esse runaway térmico leva à destruição permanente do dispositivo.
Resposta
Em polarização direta o campo elétrico na depleção diminui, favorecendo a injeção de portadores e uma corrente exponencial crescente com
. Em polarização reversa o campo aumenta,
cresce e a corrente atinge uma saturação limitada por portadores minoritários. A corrente de saturação reversa
cresce fortemente com a temperatura segundo
. Dopagens altas reduzem
e a tensão de ruptura (efeito zener), enquanto dopagens baixas elevam a tensão de avalanche. Se
ultrapassar
sem controle, a avalanche descontrolada e o aquecimento local podem gerar um runaway térmico que destrói a junção.