Емкости p-n-перехода | Электроника

По обе стороны от металлургической границы р-n-перехода находятся ионизированные атомы донорной и акцепторной примесей, образующие отрицательные и положительные пространственные заряды. При изменении напряжения, приложенного к переходу, изменяется его ширина, а следовательно, и пространственный заряд. Поэтому плоскостной р-n-переход можно рассматривать как две пластины конденсатора с равными по значению, но противоположными по знаку зарядами , т.е. р-n-переход обладает емкостью. Емкость, обусловленная перераспределением зарядов в переходе, называется барьерной. Заряд Q зависит от напряжения, но не пропорционален ему, и емкость определяется как отношение приращения пространственных зарядов в р-n-переходе к вызвавшему это приращение изменению напряжения:

(1.15)

Заряд (положительный или отрицательный) можно найти из выражения

, (1.16)

где N – концентрация донорной или акцепторной примеси; S и – соответственно, площадь и ширина р-n-перехода, причем для несимметричного р-n-перехода при его прямом и обратном включении

. (1.17)

Здесь – относительная диэлектрическая проницаемость среды; – электрическая постоянная; N = Nd, если Nd>>Na;N = Na, если Na>>Nd; U – напряжение, приложенное к переходу (при прямом включении U> 0, при обратном – U< 0); – ширина р-n-перехода в равновесном состоянии.

Подставив в (1.16) соотношение (1.17) и продифференцировав полученное выражение по напряжению, получим:

. (1.18)

Первый сомножитель в (1.18) определяет емкость обычного плоского конденсатора, второй – характеризует зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения.

При подключении к р-n-переходу прямого напряжения из каждой области полупроводника в смежную инжектируются неосновные для нее носители заряда (вследствие диффузии при понизившемся потенциальном барьере). В тонких слоях около границы р-n-перехода возникает избыточная концентрация неосновных носителей. Для нейтрализации этого избыточного заряда из прилегающих слоев отсасываются основные носители, число которых пополняется за счет источника. Таким образом, в каждой области у границы p-n-перехода возникают равные по значению, но противоположные по знаку заряды . При изменении напряжения изменяется число инжектированных носителей, а следовательно, и заряд. Изменение заряда на границе перехода подобно изменению зарядов на обкладках конденсатора при изменении приложенного к нему напряжения. Емкость, связанную с изменением инжектированных носителей при изменении напряжения, называют диффузионной и определяют как отношение приращения инжектирован-ного заряда в базе к вызвавшему его приращению напряжения:

. (1.19)

Диффузионная емкость увеличивается с увеличением прямого тока. Кроме того, она тем больше, чем больше время жизни неосновных инжектированных носителей заряда, так как при этом меньше рекомбинация и больше носителей накапливается у границы р-n-перехода.

При подключении к р-n-переходу обратного напряжения перераспределение зарядов вследствие экстракции незначительно, поэтому диффузионная емкость мала. При прямом напряжении диффузионная емкость значительно больше барьерной, а при обратном напряжении – наоборот. Поэтому при прямом напряжении учитывают , а при обратном – .