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 E da região de depleção diminuir e a largura W 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
I = ISl(e^qV/(kT) - 1r),
onde V é a tensão aplicada, q a carga do elétron, k a constante de Boltzmann e T a temperatura. Como o campo elétrico E 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 V aumenta a barreira de potencial, o campo elétrico E na região de depleção cresce e W 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 IS. Nesse regime, mesmo com aumento de |V|, a corrente permanece aproximadamente
I approx -IS

Passo 4

O valor de IS 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
IS propto T^2 expl(-EgkTr),
onde Eg é a largura de banda proibida do semicondutor. Assim, um pequeno aumento de T eleva exponencialmente IS, degradando o bloqueio reverso e aumentando o risco de runaway térmico.

Passo 5

A dopagem dos dois lados da junção (densidades NA e ND) controla W e a tensão de ruptura VBR. A largura da depleção em regime reverso pode ser estimada por
W = raiz2varepsilonsq,Vbi+|VR|(1/NA)+(1/ND),
onde varepsilons é a permitividade do semicondutor e Vbi a tensão built-in. Junções muito fortemente dopadas (valores altos de N) têm W pequeno, gerando campos Emax altos mesmo para tensões baixas e, portanto, tensão de ruptura baixa (efeito zener dominante). Junções moderadamente dopadas têm W maior e entram em avalanche a tensões mais elevadas.

Passo 6

A corrente reversa pode se tornar catastrófica se a tensão aplicada ultrapassar VBR 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 P = VR cdot I provoca aquecimento local, redução de VBR 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 V. Em polarização reversa o campo aumenta, W cresce e a corrente atinge uma saturação limitada por portadores minoritários. A corrente de saturação reversa IS cresce fortemente com a temperatura segundo propto T^2exp(-Eg/kT). Dopagens altas reduzem W e a tensão de ruptura (efeito zener), enquanto dopagens baixas elevam a tensão de avalanche. Se VR ultrapassar VBR sem controle, a avalanche descontrolada e o aquecimento local podem gerar um runaway térmico que destrói a junção.

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