O que é a ruptura reversa de um diodo? Que mecanismos podem originá-la?

Passo 1

O enunciado pergunta o que é a ruptura reversa de um diodo e quais mecanismos físicos a provocam. O conteúdo envolve física de junções PN sob polarização reversa e fenômenos de transporte de carga em campos elétricos intensos. Para responder vamos precisar entender como se forma a região de depleção, como cresce o campo elétrico quando aplicamos tensão reversa e quais processos podem gerar corrente intensa nesse regime.

Passo 2

Quando aplicamos uma tensão reversa -V_R a um diodo PN, a região de depleção se alarga e o campo elétrico interno \vec{E} cresce. Se |V_R| ultrapassa um certo valor crítico V_{BR}, o campo atinge um valor de ruptura E_c, levando a um aumento brusco da corrente reversa. Esse fenômeno é chamado de ruptura reversa.

Passo 3

Avalanche breakdown: em diodos com depleção relativamente larga (dopagem moderada), portadores minoritários ganham energia do campo e, ao colidirem com átomos da rede cristalina, geram pares elétron-buraco adicionais por ionização de impacto. Cada novo portador também acelera e gera mais pares, criando uma multiplicação em cascata. A corrente cresce exponencialmente quando \lvert E\rvert \gtrsim E_c\approx10^5\\ \mathrm{V/cm}.
Zener breakdown: em diodos fortemente dopados, a largura da depleção é muito fina e o campo requerido para ruptura é alcançado com tensões mais baixas (tipicamente V_{BR}<5\\ \mathrm{V}). Nesse caso, antes da avalanche, há tunelamento quântico de elétrons da banda de valência para a banda de condução através da barreira estreita. O resultado é uma corrente reversa intensa sem produzir muitos portadores por impacto.

Passo 4

Fatores que afetam a ruptura reversa incluem:
  1. Nível de dopagem dos semicondutores (define se predomina Zener ou avalanche).
  2. Temperatura (a avalanche tende a aumentar com T, o efeito Zener pode diminuir).
  3. Defeitos cristalinos e irregularidades na junção (pontes de fuga localizadas podem reduzir V_{BR}).
  4. Geometria do diodo e presença de coronas superficiais (picos de campo em arestas podem antecipar a ruptura).

Resposta

A ruptura reversa de um diodo é o disparo súbito de corrente quando a tensão reversa excede um valor crítico V_{BR}, fazendo o campo elétrico na junção ultrapassar um limiar E_c. Os mecanismos que podem originá-la são principalmente:
– Avalanche breakdown (ionização de impacto em campos fortes e região deplecionada larga).
– Zener breakdown (tunelamento quântico em depleção estreita de diodos muito dopados).
Além disso, defeitos, geometria e temperatura influenciam o valor de ruptura e seu comportamento.

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