ЕМКОСТИ ПЕРЕХОДА

п — р-переход при обратном напряжении u_обр аналогичен конденсатору со значительным током утечки в диэлектрике. Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда + Q_обр и –Q_обр, созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому n —р-переход обладает емкостью, подобной конденсатору с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью. При постоянном напряжении она определяется отношением

а при переменном напряжении

(3.5)

Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади п — р-перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запи­рающего слоя. Несмотря на то что у диодов небольшой мощности площадь перехода мала, емкость C_бвесьма заметна за счет малой толщины запирающего слоя и сравнительно большой относительной диэлектрической проницаемости (например, у германия 8 = 16). В зависимости от площади перехода значение С_б может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенность барьерной емкости состоит в том, что она нелинейная, т.е. изменяется при изме­нении напряжения на переходе. Если обратное напряжение возрастает, то тол­щина запирающего слоя увеличивается и емкость С_б уменьшается. Характер этой зависимости показывает график на рис. 3.3. Как видно, под влиянием напряжения U_обр емкость С_б изменяется в несколько раз.

Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Однако барьерная емкость бывает и полезной. Специальные диоды (варикапы и варакторы) используют как конденсаторы переменной емкости для настройки колебательных контуров, а также в некоторых схемах, работа которых основана на свойствах нелинейной емкости. В отличие от обычных конден­саторов переменной емкости, в которых емкость изменяют механическим путем, в варикапах это изменение достигается регулировкой обратного напряжения. Такую настройку колебательных контуров называют электронной настройкой.

При прямом напряжении диод кроме барьерной емкости обладает так называемой диффузионной емкостью С_диф, которая также нелинейна и возрастает при увеличении u_пр. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в п- и р-областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют (инжектируют) через понижен­ный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в п-и р-областях. Так, например, если в некотором диоде р-область является эмит­тером, а n-область — базой, то при пода­че прямого напряжения из р-области в n-область через переход устремляется большое число дыроки, следователь­но, в n-области появляется положитель­ный заряд. Одновременно под действием источника прямого напряжения из провода внешней цепи в n-область входят электроны и в этой области возникает отрицательный заряд. Дырки и электроны в n-области не могут мгновенно рекомбинировать. Поэтому каждому значению прямого напряжения соответствует определенное значение двух равных разноименных зарядов +Q_диф и -Q_диф, накопленных в n-области за счет диффузии носителей через переход.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его эквивалентную схему для переменного тока (рис. 3.4, а). Сопротивление R_o в этой схеме представляет собой суммарное, сравнительно небольшое сопротивление п- и р-областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление R_нл при прямом напряжении равно R_np, т. е. невелико, а при обратном напряжении R_нл = R_o6p, т. е. оно очень большое.

Рис. 3.4. Полная и упрощенные эквивалентные схемы полупроводникового диода

Приведенная эквивалентная схема в, различных частных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и можно емкость не учиты­вать. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R_o и R_np (рис. 3.4,6), а при обратном напряжении — только сопротивление R_oбр> так как R_o << R_o6p (рис. 3.4, в). На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопро­тивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис. 3.4, г (если частота не очень высокая, то С_диф практически не влияет), а при обратном остаются R_обри С_б (рис. 3.4, д).

Следует иметь в виду, что существует еще емкость С_в между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. Она показана на рисунке штрихами. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов.