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:

формула ёмкости pn-перехода,        (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 Uобр = 0;
    UК — контактная разность потенциалов p-n перехода; 
    Uобр — запирающее напряжение, приложенное к p-n переходу; 
    γ — коэффициент, зависящий от типа p-n перехода.

Для резких 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.

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

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

В других электронных приборах, таких как биполярные и полевые транзисторы, барьерная ёмкость p-n перехода является фактором, ограничивающим частотный диапазон прибора, и её стараются уменьшать. Барьерная емкость увеличивается при увеличении концентрации неосновных носителей заряда NА и NД, 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.

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

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

Cпер = Cбар + Cдиф        (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 14.06.2020

Литература:

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. - М.: Радио и связь, 1998. -560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.
  3. Батушев В. А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. -383 с.
  4. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  5. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.
  6. Колосницын Б. С. Гапоненко Н. В. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. Учебное пособие: в 2 ч. Ч. 1: Физика активных элементов интегральных микросхем — Минск: БГУИР, 2016. — 196 с.

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

Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/

Прямое включение pn-перехода
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/open/

Обратное включение pn-перехода
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/close/

Теоретическая вольтамперная характеристика p-n перехода
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/vah_teor/




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2020

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 82 научных и научно-методических работ, в том числе 18 книг.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика