Ёмкости p-n перехода

Ёмкость p-n перехода состоит из барьерной и диффузионной ёмкостей. Барьерная ёмкость определяется нескомпенсированными зарядами ионов вблизи p-n перехода и изменяется при изменении его толщины под воздействием запирающего напряжения. Идеальный p-n переход при анализе можно представить в виде плоского конденсатора, емкость которого вычисляется при помощи следующей формулы:

, (1)

где П — площадь p-n перехода;
    ε — диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала;
    δ — толщина p-n перехода.

Мы уже определяли ранее, что толщина p-n перехода зависит от поданного на него обратного напряжения, соответственно меняется и его ёмкость. Зависимость барьерной емкости от приложенного к p-n переходу обратного напряжения описывается формулой:

зависимость барьерной ёмкости pn-перехода от напряжения

, (2)

где C₀ — емкость p-n перехода при U_обр = 0;
    U_К — контактная разность потенциалов p-n перехода; 
    U_обр — запирающее напряжение, приложенное к p-n переходу; 
    γ — коэффициент, зависящий от типа p-n перехода.

Для резких полупроводниковых p-n переходов коэффициент γ = 1/2, а для плавных γ = 1/3. Типовая зависимость величины барьерной ёмкости от приложенного к p-n переходу напряжения показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Зависимость величины барьерной ёмкости от обратного напряжения p-n перехода

Зависимость барьерной ёмкости от напряжения широко используется в радиоэлектронной технике. Изготавливаются специальные полупроводниковые приборы: варикапы и варакторы, основным полезным свойством которых является изменение ёмкости от напряжения. Это свойство используется в генераторах, управляемых напряжением (ГУН) и частотных модуляторах радиопередатчиков.

В других полупроводниковых приборах, таких как биполярные и полевые транзисторы, барьерная ёмкость p-n перехода является фактором, ограничивающим частотный диапазон прибора, и её стараются уменьшать. Так как толщина p-n перехода уменьшается с ростом концентрации неосновных носителей заряда, то барьерная емкость увеличивается при увеличении концентрации неосновных носителей заряда N_А и N_Д, и уменьшается при уменьшении концентрации.

А теперь рассмотрим, как образуется диффузионная емкость. При протекании диффузионного тока через p-n переход, при подаче напряжения в прямом направлении, растет концентрация неосновных носителей заряда, инжектированных в p- и n-области. Это приводит к накоплению заряда вблизи p-n перехода. Это явление можно рассматривать как появление дополнительной емкости, а так как она образуется диффузионным током, то эта ёмкость получила название диффузионной.

Теперь определим значение диффузионной ёмкости. Любую ёмкость можно найти из выражения:

зависимость ёмкости от приращения напряжения и накопленного заряда

. (3)

А концентрацию инжектированных носителей заряда мы находили при анализе прямого включения p-n перехода. Воспользовавшись выражениями (2) и (3) из этой статьи, определим значение диффузионной ёмкости:

Формула для диффузионной ёмкости p-n перехода

. (4)

Зависимость величины диффузионной ёмкости от прямого напряжения на p-n переходе показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость диффузионной ёмкости от напряжения

Полная емкость p-n перехода определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей:

C_пер = C_бар + C_диф (5)

При прямом включении p-n перехода преобладает диффузионная емкость, а при обратном — барьерная.

Следует заметить, что диффузионная ёмкость имеет большое значение в формировании частотных характеристик таких электронных приборов, как биполярные транзисторы. В высокочастотных схемах приходится эти ёмкости включать в состав согласующих цепей, которые часто используются на входе и выходе усилительных каскадов.

Дата последнего обновления файла 26.11.2023

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Литература:

Вместе со статьей "Ёмкости p-n перехода" читают: