Ємності n-p переходу

У розділі 2.3 говорилося про те, що n-р - перехід при зворотній напрузі U_зв аналогічний конденсатору зі значним струмом витоку в діелектрику. Збідненого шар має високий опір і відіграє роль діелектрика, а по обидві його сторони. розташовані два різнойменні об'ємні заряди + Q_ЗВ і - Q_ЗВ створені іонізованими атомами донорних і акцепторних домішок. Тому n-р – перехід має ємність, подібну конденсатору з двома обкладинками. Цю ємність називають бар'єрною ємністю. При сталій напрузі вона визначається наступним виразом

С_б = Q_зв/u_зв, (3.4)

а для змінної напруги

С_б =ΔQ_зв/Δu_зв. (3.5)

Бар'єрна ємність, як і ємність звичайних конденсаторів, зростає при збільшенні площі п-р -переходу, діелектричної проникності напівпровідника і зменшенні товщини збідненого шару. Незважаючи на те що у діодів невеликої потужності площа переходу мала, ємність С_б доситьзначна за рахунок малої товщини збідненого шару і порівняно великого значення відносної діелектричної проникності (наприклад, у германію 16). У залежності від площі переходу значення С_б може бути від одиниць до сотень пікофарад. Особливість бар'єрної ємності полягає в тому, що вона нелінійна, тобто змінюється при зміні напруги на переході. Якщо зворотна напруга зростає, то товщина збідненого шару збільшується і ємність С_б зменшується. Характер цієї залежності показує графік на рис.3.3. Як видно, під впливом напруги U_зв ємність С_б змінюється в декілька разів.

Бар'єрна ємність шкідливо впливає на випрямлення змінного струму, оскільки шунтує діод і через неї на більш високих частотах проходить змінний струм. Однак бар'єрна ємність буває і корисною. Спеціальні діоди (варикапи і варактори)використовують як конденсатори змінної ємності для налагодження коливальних контурів, а також в деяких схемах, робота яких основана на властивостях нелінійної ємності. На відміну від звичайних конденсаторів змінної ємності, в яких ємність змінюють механічним шляхом, у варикапах ця зміна досягається регулюванням зворотної напруги. Таке налагодження коливальних контурів називають електронним.

При прямій напрузі діод крім бар'єрної ємності має так звану дифузійною ємність С_диф, яка також нелінійна і зростає при збільшенні U_пр. Дифузійна ємність характеризує нагромадження рухливих носіїв заряду в n- і р - областях при прямій напрузі на переході. Вона практично існує тільки при прямій напрузі, коли носії заряду у великій кількості дифундують (інжектують) через понижений потенціальний бар'єр і, не встигши рекомбінувати, нагромаджуються в n і р -областях. Так, наприклад, якщо в деякому діоді р -область є емітером, а n - область базою, то при подачі прямої напруги з р -області в n - область через перехід надходить велика кількість дірок і, отже, в n -області з'являється додатний заряд. Одночасно під дією джерела прямої напруги з провідника зовнішнього кола в n -область надходять електрони і в цій області виникає від’ємний заряд. Дірки і електрони в n -області не можуть миттєво рекомбінувати. Тому кожному значенню прямого напруги відповідає певне значення двох рівних різнойменних зарядів Q_диф і Q_диф нагромаджених в n -області за рахунок дифузії носіїв через перехід. Ємність С_диф, як звичайно, є відношенням заряду до різниці потенціалів: при постійній напрузі

С_диф=Q_диф/U_пр (3.6)

при змінній напрузі

С_диф=ΔQ_диф/ΔU_пр (3.7)

Із збільшенням U_пр прямий струм зростає швидше, ніж напруги, оскільки вольт-амперна характеристика для прямого струму нелінійна; тому Q_диф зростає швидше, ніж U_пр, і С_диф збільшується.

Дифузійна ємність значно більша від бар'єрної, але використати її не вдається, оскільки вона зашунтована малим прямим опором самого діода.

Маючи на увазі, що діод має ємність, можна скласти його еквівалентну схему для змінного струму (рис.3.4, а). Його опір в цій схемі - це сумарний опір: порівняно невеликий опір n - і р -областей і контактів цих областей з виводами. Нелінійний опір R_нл при прямій напрузі рівний R_пр, тобто невеликий, а при зворотній напрузі R_нл = R_ЗВ, тобто він дуже великий. Наведена еквівалентна схема в різних окремих випадках може бути спрощена. На низьких частотах ємнісний опір дуже великий і можна ємність не враховувати. Тоді при прямій напрузі в еквівалентній схемі залишаються лише опори R ₀ і R_пр ( рис.3.4.б), а при зворотній напрузі - тільки опір R_зв, оскільки R₀ < < R_ЗВ ( рис.3.4,3). На високих частотах ємності мають порівняно невеликий опір. Тому при прямій напрузі виходить схема, яка зображена на рис.3. 4. г) (якщо частота не дуже висока, то С_диф практично не впливає), а при зворотній залишаються R_зв і С_б (рис.3.4.д).

Потрібно мати на увазі, що існує ще ємність С_В між виводами, яка може помітно шунтувати діод на дуже високих частотах. Вона показана на малюнку штриховою лінією. На СВЧ може також впливати індуктивність виводів.