1.3.6 Ємності p-n переходу
Зміна зовнішньої напруги dU на p-n переході приводить до зміни накопиченого в ньому заряду dQ. Тому p-n перехід поводиться подібно до конденсатора, ємність якого З = dQ/ dU.
Залежно від фізичної природи заряду, що змінюється, розрізняють ємності бар'єрну (зарядну) і дифузійну.
Бар'єрна (зарядна) ємність визначається зміною заряду іонів, що не компенсується, при зміні ширини замикаючого шару під впливом зовнішньої зворотної напруги. Тому ідеальний електронно-дірковий перехід можна розглядати як плоский конденсатор, ємність якого визначається співвідношенням
(1.41)
де П, - відповідно площа і товщина p-n переходу.
Із співвідношень (1.41) і (1.31) слідує
.
У загальному випадку залежність зарядної ємності від прикладеної до p-n переходу зворотної напруги виражається формулою
,
де C0 — ємність p-n переходу при UОБР = 0; - коефіцієнт, залежний типу p-n переходу (для різких p-n переходів = 1/2, а для плавних = 1/3).
Бар'єрна ємність збільшується із зростанням NА і NД, а також із зменшенням зворотної напруги. Характер залежності СБАР = f(UОБР) показаний на рис. 1.13,а.
Розглянемо дифузійну ємність.
При збільшенні зовнішньої напруги,
прикладеної до p-n переходу в прямому
напрямі, росте концентрація инжектированных
носіїв поблизу меж переходу, що приводить
до зміни кількості заряду, обумовленого
неосновними носіями в p- і n-областях. Це
можна розглядати як прояв деякої ємності.
Оскільки вона залежить від зміни
дифузійної складової струму, її називають
дифузійною. Дифузійна ємність є
відношенням приросту інжекційного
заряду dQинж до зміни напруги dUпр,
що викликала його, тобто .
Скориставшись рівнянням (1.30), можна
визначити заряд инжектированных носіїв,
наприклад дірок в n-області:
.
-
а)
б)
Рисунок 1.13 Залежність бар'єрної (а) і дифузійної (б) місткостей p-n переходу від напруги.
.
Тоді дифузійна ємність, обумовлена зміною загального заряду нерівноважних дірок в n-області, визначиться по формулі
.
Аналогічно для дифузійної ємності, обумовленою інжекцією електронів в p-область
.
Рисунок 1.13 Еквівалентна схема p-n переходу.
Загальна дифузійна ємність
.
Залежність ємності від прямої напруги на p-n переході показана на рисунку 1.13, би.
Повна ємність p-n переходу визначається сумою зарядної і дифузійної місткостей:
.
При включенні p-n переходу в прямому напрямі переважає дифузійна ємність, а при включенні у зворотному напрямі - зарядна.
На рис. 1.14 приведена еквівалентна схема p-n переходу по змінному струму. Схема містить диференціальний опір p-n переходу rД, дифузійну ємність СДИФ, бар'єрну ємність СБАР і опір об'єму p- і n-областей r1. На підставі рівняння (1.37) можна записати:
.
Якщо при прямому включенні p-n переходу Uпр >> т, то:
;
.
При кімнатній температурі
;
(1.42)
(у співвідношенні (1.42) значення струму підставляється в амперах). Опір витоку rУТ враховує можливість проходження струму по поверхні кристала із-за недосконалості його структури. При прямому включенні p-n переходу СБАР << СДИФ, диференціальний опір rД ПР мало і сумірно з r1, тому еквівалентна схема приймає вигляд, показаний на рис. 1.15, а.
-
а)
б)
Рисунок 1.15 Спрощені еквівалентні схеми p-n переходу.
При зворотному зсуві rД ОБР >> r1, СБАР >> СДИФ і еквівалентна схема має вигляд, показаний на рис. 1.15, би.