Mecanismo de geração de eletricidade estática

Normalmente, a eletricidade estática é gerada devido ao atrito ou indução.

A eletricidade estática de fricção é gerada pelo movimento de cargas elétricas geradas durante o contato, fricção ou separação entre dois objetos. A eletricidade estática deixada pelo atrito entre os condutores é geralmente relativamente fraca, devido à forte condutividade dos condutores. Os íons gerados pela fricção se moverão rapidamente juntos e serão neutralizados durante e no final do processo de fricção. Após o atrito do isolador, uma tensão eletrostática mais alta pode ser gerada, mas a quantidade de carga é muito pequena. Isto é determinado pela estrutura física do próprio isolador. Na estrutura molecular de um isolante, é difícil para os elétrons se moverem livremente, livres da ligação do núcleo atômico, de modo que o atrito resulta em apenas uma pequena quantidade de ionização molecular ou atômica.

A eletricidade estática indutiva é um campo elétrico formado pelo movimento de elétrons em um objeto sob a ação de um campo eletromagnético quando o objeto está em um campo elétrico. A eletricidade estática indutiva geralmente só pode ser gerada em condutores. O efeito dos campos eletromagnéticos espaciais nos isoladores pode ser ignorado.

Mecanismo de descarga eletrostática

Qual é a razão pela qual a eletricidade de 220 V pode matar pessoas, mas milhares de volts nas pessoas não podem matá-las? A tensão no capacitor atende à seguinte fórmula: U=Q/C. De acordo com esta fórmula, quando a capacitância é pequena e a quantidade de carga é pequena, será gerada uma alta tensão. “Normalmente, a capacitância de nossos corpos e objetos ao nosso redor é muito pequena. Quando uma carga elétrica é gerada, uma pequena quantidade de carga elétrica também pode gerar uma alta tensão.”. Devido à pequena quantidade de carga elétrica, na descarga a corrente gerada é muito pequena e o tempo é muito curto. A tensão não pode ser mantida e a corrente cai em um tempo extremamente curto. “Como o corpo humano não é um isolante, as cargas estáticas acumuladas em todo o corpo, quando houver um caminho de descarga, irão convergir. Portanto, parece que a corrente está mais alta e há uma sensação de choque elétrico.”. Depois que a eletricidade estática for gerada em condutores como corpos humanos e objetos metálicos, a corrente de descarga será relativamente grande.

Para materiais com boas propriedades de isolamento, uma é que a quantidade de carga elétrica gerada é muito pequena e a outra é que a carga elétrica gerada é difícil de fluir. Embora a tensão seja alta, quando há um caminho de descarga em algum lugar, apenas a carga no ponto de contato e dentro de uma pequena faixa próxima pode fluir e descarregar, enquanto a carga no ponto sem contato não pode descarregar. Portanto, mesmo com uma tensão de dezenas de milhares de volts, a energia de descarga também é insignificante.

Perigos da eletricidade estática para componentes eletrônicos

A eletricidade estática pode ser prejudicial paraLIDERADOs, não apenas a “patente” exclusiva do LED, mas também diodos e transistores comumente usados ​​feitos de materiais de silício. Até mesmo edifícios, árvores e animais podem ser danificados pela eletricidade estática (os raios são uma forma de eletricidade estática e não consideraremos isso aqui).

Então, como a eletricidade estática danifica os componentes eletrônicos? Não quero ir muito longe, falando apenas de dispositivos semicondutores, mas limitando-me também a diodos, transistores, CIs e LEDs.

Os danos causados ​​pela eletricidade aos componentes semicondutores envolvem, em última análise, corrente. Sob a ação da corrente elétrica, o aparelho é danificado devido ao calor. Se houver corrente, deve haver tensão. No entanto, os diodos semicondutores possuem junções PN, que possuem uma faixa de tensão que bloqueia a corrente nas direções direta e reversa. A barreira potencial direta é baixa, enquanto a barreira potencial reversa é muito maior. Num circuito onde a resistência é alta, a tensão está concentrada. Mas para LEDs, quando a tensão é aplicada diretamente ao LED, quando a tensão externa é menor que a tensão limite do diodo (correspondente à largura do gap do material), não há corrente direta e a tensão é toda aplicada a a junção PN. Quando a tensão é aplicada ao LED de forma reversa, quando a tensão externa é menor que a tensão de ruptura reversa do LED, a tensão também é aplicada inteiramente à junção PN. Neste momento, não há queda de tensão na junta de solda defeituosa do LED, no suporte, na área P ou na área N! Porque não há corrente. Após a junção PN ser quebrada, a tensão externa é compartilhada por todos os resistores do circuito. Onde a resistência é alta, a tensão suportada pela peça é alta. No que diz respeito aos LEDs, é natural que a junção PN suporte a maior parte da tensão. A energia térmica gerada na junção PN é a queda de tensão multiplicada pelo valor da corrente. Se o valor da corrente não for limitado, o calor excessivo queimará a junção PN, que perderá sua função e penetrará.

Por que os CIs têm relativamente medo da eletricidade estática? Como a área de cada componente em um CI é muito pequena, a capacitância parasita de cada componente também é muito pequena (muitas vezes a função do circuito requer capacitância parasita muito pequena). Portanto, uma pequena quantidade de carga eletrostática gerará uma alta tensão eletrostática, e a tolerância de potência de cada componente é geralmente muito pequena, de modo que a descarga eletrostática pode facilmente danificar o IC. No entanto, componentes discretos comuns, como pequenos diodos de potência comuns e pequenos transistores de potência, não têm muito medo da eletricidade estática, porque a área do chip é relativamente grande e sua capacitância parasita é relativamente grande, e não é fácil acumular altas tensões em em configurações estáticas gerais. Os transistores MOS de baixa potência são propensos a danos eletrostáticos devido à sua fina camada de óxido de porta e pequena capacitância parasita. Eles geralmente saem da fábrica após curto-circuitar os três eletrodos após a embalagem. Em uso, muitas vezes é necessário remover a rota curta após a conclusão da soldagem. Devido à grande área do chip dos transistores MOS de alta potência, a eletricidade estática comum não os danificará. Portanto, você verá que os três eletrodos dos transistores MOS de potência não são protegidos por curtos-circuitos (os primeiros fabricantes ainda os curto-circuitavam antes de saírem da fábrica).

Na verdade, um LED possui um diodo e sua área é muito grande em relação a cada componente do CI. Portanto, a capacitância parasita dos LEDs é relativamente grande. Portanto, a eletricidade estática em situações gerais não pode danificar os LEDs.

A eletricidade eletrostática em situações gerais, especialmente em isoladores, pode ter alta tensão, mas a quantidade de carga de descarga é extremamente pequena e a duração da corrente de descarga é muito curta. A tensão da carga eletrostática induzida no condutor pode não ser muito alta, mas a corrente de descarga pode ser grande e frequentemente contínua. Isto é muito prejudicial aos componentes eletrônicos.

Por que a eletricidade estática danificaChips LEDnão ocorre frequentemente

Vamos começar com um fenômeno experimental. Uma placa de ferro metálico transporta eletricidade estática de 500 V. Coloque o LED na placa metálica (preste atenção ao método de colocação para evitar os seguintes problemas). Você acha que o LED será danificado? Aqui, para danificar um LED, normalmente deve ser aplicada uma tensão superior à sua tensão de ruptura, o que significa que ambos os eletrodos do LED devem entrar em contato simultaneamente com a placa metálica e ter uma tensão superior à tensão de ruptura. Como a placa de ferro é um bom condutor, a tensão induzida nela é igual, e a chamada tensão de 500 V é relativa ao solo. Portanto, não há tensão entre os dois eletrodos do LED e, naturalmente, não haverá danos. A menos que você entre em contato com um eletrodo de um LED com uma placa de ferro e conecte o outro eletrodo com um condutor (mão ou fio sem luvas isolantes) ao terra ou a outros condutores.

O fenômeno experimental acima nos lembra que quando um LED está em um campo eletrostático, um eletrodo deve entrar em contato com o corpo eletrostático e o outro eletrodo deve entrar em contato com o solo ou outros condutores antes que possa ser danificado. Na produção e aplicação reais, com o tamanho pequeno dos LEDs, raramente há chance de que tais coisas aconteçam, especialmente em lotes. Eventos acidentais são possíveis. Por exemplo, um LED está em um corpo eletrostático e um eletrodo entra em contato com o corpo eletrostático, enquanto o outro eletrodo está apenas suspenso. Neste momento, alguém toca no eletrodo suspenso, o que pode danificar oLuz LED.

O fenômeno acima nos diz que os problemas eletrostáticos não podem ser ignorados. A descarga eletrostática requer um circuito condutor e não há danos se houver eletricidade estática. Quando ocorre apenas uma pequena quantidade de vazamento, o problema de dano eletrostático acidental pode ser considerado. Se ocorrer em grandes quantidades, é mais provável que seja um problema de contaminação ou tensão de cavacos.