4.7. Емкости p-n-перехода

Емкостные свойства p-n-перехода обусловлены наличием по обе стороны от границы электрических зарядов, которые созданы ионами примесей, а также подвижными носителями заряда, находящимися вблизи границы перехода.

Емкость p-n-перехода подразделяют на две составляющие: барьерную, отражающую перераспределение зарядов в p-n-переходе, и диффузионную, отражающую перераспределение зарядов вблизи p-n-перехода.

Электронно-дырочный переход имеет двойной электрический слой: с одной стороны из положительно заряженных доноров, а с другой – из отрицательно заряженных акцепторов. Этот двойной электрический слой, расположенный между p- и n-областями, подобен заряженным обкладкам конденсатора с той лишь разницей, что у обычного конденсатора заряд сосредоточен на обкладках, а у p-n-перехода он расположен по объему в двойном электрическом слое (запирающем слое), обладающим диэлектрическими свойствами. Эту емкость называют барьерной (или зарядовой) емкостью p-n-перехода. Ее можно определить по формуле плоского конденсатора

,

где  – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; _о – диэлектрическая постоянная воздуха (Ф/м); S_p-n – площадь p-n-перехода (м²); d_p-n – ширина p-n-перехода (м).

Величину С для резкого перехода при приложении к переходу напряжения U можно определить из приближенного выражения:

.

С увеличением приложенного обратного напряжения U барьерная емкость уменьшается, так как увеличивается ширина перехода d_p-n (рис. 4.7). При подключении к p-n-переходу прямого напряжения барьерная емкость увеличивается вследствие уменьшения d_p-n. Однако в этом случае приращение зарядов за счет их инжекции играет большую роль, и емкость p-n-перехода определяется в основном диффузионной составляющей емкости.

Если изменять прямое напряжение U_пр на p-n-переходе, то заряд в обеих областях перехода будет существенно меняться. При увеличении прямого напряжения на переходе U_пр увеличивается взаимная диффузия основных носителей через переход, следовательно, растет и прямой ток через переход I_n, и при этом растет, например, заряд дырок в базе на величину Q_p = C_д·U_пр, где U_пр – прямое падение напряжения на переходе, С_д – коэффициент пропорциональности, называемый диффузной емкостью p-n-перехода. Появление С_д связано с процессом диффузии неосновных носителей в базе.

Рис. 4.7. Зависимость барьерной емкости p-n-перехода от обратного напряжения

Диффузионная емкость отражает изменение напряжения на переходе, обусловленное изменением заряда в базе. Аналогичный процесс происходит и в эмиттере с зарядом электронов. Поэтому

.

Диффузионная емкость

.

Но (время жизни дырок в базе), а производная от I_{p диф} будет , где .

Тогда , а с учетом того же для С_дn получим

.

Для больших уровней инжекции диффузионную емкость можно определить по формуле

.

Таким образом, в p-n-переходе существуют два типа емкости – барьерная и диффузионная, первая из которых отражает перераспределение зарядов в переходе, вторая – в базе. Соотношение обеих емкостей различно при разной полярности включения p-n-перехода. При прямом включении основное значение имеют заряды в базе и соответственно диффузионная емкость (С_д >> С_б), а при обратном – заряды в базе меняются мало и основную роль играет барьерная емкость (С_б >> С_д).