Мкость р-n-перехода

Инжекция неосновных носителей заряда в случае приложения к р-n-переходу прямого напряжения и экстракция неосновных носителей заряда в случае приложения к переходу обратного напряжения приводят к изменению по сравнению с равновесными концентраций носителей заряда вблизи перехода. Изменение величины приложенного внешнего напряжения вызывает изменение распределения избыточных носителей вблизи перехода, а следовательно, величины суммарного объёмного заряда. Это явление напоминает процессы в обычном конденсаторе, в котором изменение напряжения, приложенного к обкладкам, вызывает изменение накопленного заряда по закону ∆q=С∆U. Поэтому принято считать, что р-n-переход обладает емкостными свойствами или просто ёмкостью. Ёмкость р-n-перехода оказывает чрезвычайно важное влияние на его импульсные свойства.

Емкостные свойства р-n-перехода различны при прямом и обратном смещениях. Так, при прямом смещении они обусловлены главным образом накоплением избыточных концентраций неосновных носителей заряда в р- и n-областях и характеризуются так называемой диффузионной емкостью, которая определяется выражением

, (2.1)

где S – площадь р-n-перехода; p_n, n_p – равновесные концентрации дырок в n-области и электронов в р-области; L_p, L_e­ – диффузионные длины дырок в n-области и электронов в р-области; U – внешнее напряжение, приложенное к р-n переходу; Т – температура полупроводника; k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона.

Из уравнения (2.1) видно, что с увеличением прямого напряжения (U>0) диффузионная ёмкость р-n-перехода быстро возрастает. При обратном смещении (U<0) диффузионная ёмкость уменьшается, и при достаточно большой величине обратного напряжения ее можно считать равной нулю.

При обратном смещении емкостные свойства р-n-перехода обусловлены образованием областей объемных зарядов ионизированных примесных атомов и характеризуются так называемой барьерной ёмкостью, которая для резкого р-n-перехода определяется выражением

, (2.2)

где N_a, N_д – концентрации атомов акцепторной примеси в р-области и донорной примеси в n-области, соответственно; U_K – контактная разность потенциалов р-n перехода; e - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; e₀ – электрическая постоянная.

Из выражения (2.2) следует, что барьерная ёмкость тем больше, чем выше концентрации примесей в полупроводнике и чем меньше напряжение, приложенное к переходу. Учитывать барьерную ёмкость особенно важно при достаточно больших обратных смещениях р-n перехода, так как диффузионная емкость при этом практически равна нулю. При прямом смещении барьерная емкость значительно меньше диффузионной.

Для анализа динамических процессов в р-n-переходе пользуются его эквивалентной схемой замещения, представленной на рис.2.1. Схема содержит два конденсатора С_бар и С_диф , отражающих барьерную и диффузионную ёмкости р-n-перехода, а также два резистора R_d и R_б. Первый из них отражает электропроводность области объёмных зарядов р-n перехода, а второй – электропроводность р- и n- областей полупроводника, носящих название базы. Характерно, что все элементы в схеме на рис.2.1 являются нелинейными, их параметры зависят от величины и знака приложенного напряжения U_д.

Зависимости С_бар и С_диф от напряжения рассмотрены выше. Сопротивление R_d при большом обратном напряжении велико, т.к. в области объёмных зарядов практически отсутствуют подвижные носители. При подаче на р-n-переход прямого напряжения область объёмных зарядов, во первых, сужается, а во вторых, обогащается подвижными носителями, что приводит к резкому снижению величины R_d.

Сопротивление R_б зависит от приложенного напряжения слабее, чем R_d. Тем не менее при обратном смещении оно больше из-за экстракции неосновных носителей, а при прямом смещении оно меньше из-за инжекции неосновных носителей в р- и n-области полупроводника.