Барьерная емкость. Варикапы

Область объемного заряда представляет собой двойной слой противоположных по знаку неподвижных зарядов. Этот двойной слой можно уподобить обкладкам плоского конденсатора, к которому приложена контактная разность потенциалов.

Электроемкость такого конденсатора получила название барьерной, т.к. связана с существованием энергетического барьера между p- и n-областями. Значение барьерной электроемкости p-n-перехода можно вычислить по формуле для плоского конденсатора

, (5.4.1)

где - диэлектрическая проницаемость, - электрическая постоянная, S - площадь p-n-перехода, d - ширина области объёмного заряда.

Изгиб энергетических зон, ширина области объёмного заряда, а, значит, и барьерная емкость изменяются, если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение. Напомним, что при обратном включении напряжение считается отрицательным. Разность потенциалов между p- и n- областями при обратном включении p-n-перехода увеличивается, ширина области объёмного заряда d также увеличивается, а барьерная емкость уменьшается. В результате барьерная емкость p-n-перехода зависит от контактной разности потенциалов и внешнего напряжения.

Характер зависимостей d (U) и C_бар (U) различен для резких и плавных переходов. Зависимость барьерной емкости от напряжения U для резкого p-n-перехода выражается формулой

, (5.4.2)

где S – площадь p-n-перехода, q – элементарный заряд, e - диэлектрическая проницаемость полупроводника, e₀ – электрическая постоянная, N_ap – концентрация акцепторов в p–области, N_dn – концентрация доноров в n-области, Dj_кон – контактная разность потенциалов.

В случае резкого несимметричного перехода, когда одна из областей легирована более сильно, чем другая ( или ), формула (4.5) принимает вид

(5.4.3)

где N – концентрация примеси в слаболегированной области.

В случае плавного p-n-перехода барьерная емкость обратно пропорциональна не квадратному, а кубическому корню величины (Dj_кон –U):

, (5.4.4)

где a - градиент концентрации примесей.

Барьерная емкость перехода используется в одном из видов диодов – варикапах. Варикап – это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости барьерной емкости p-n-перехода от обратного напряжения. Варикап предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.