Емкость полупроводникового диода

Выше говорилось о том, что р-n переход при обратном напряжении u_ОБР аналогичен конденсатору с 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 примесей.

Поэтому р-n переход обладает емкостью, подобной емкости плоского конденсатора, которую называют барьерной емкостью.

При постоянном напряжении она определяется соотношением:

С_б = Q_ОБР / u_ОБР, (4.1)

при переменном напряжении:

С_б = DQ_ОБР / Du_ОБР. (4.2)

Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади р-n перехода и

диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Несмотря на то, что у диодов малой мощности площадь перехода мала, емкость С_б получается весьма заметной за счет малой толщины запирающего слоя и сравнительно большой относительной диэлектрической проницаемости (например, у германия e = 16). В зависимости от площади перехода С_б может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенностью барьерной емкости является ее нелинейность. Характер зависимости С_б = f (u_ОБР) приведен на рис. 4.2, из которой видно, что под влиянием напряжения u_ОБР емкость С_б изменяется в несколько раз.

При прямом напряжении диод кроме барьерной емкости обладает так называемой диффузионной емкостью С_ДИФ, которая так же нелинейна и возрастает при увеличении u_ПР. Она характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и р-областях при прямом напряжении на переходе. Эта зависимость практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют (инжектируют) через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в областях. Поэтому каждому значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух разноименных зарядов +Q_ДИФ и –Q_ДИФ. Диффузионная емкость при постоянном напряжении определяется:

С_ДИФ = Q_ДИФ / u_ПР, (4.3)

С увеличением u_ПР прямой ток растет быстрее, чем напряжение, т.к. ВАХ для прямого тока нелинейна; поэтому Q_ДИФ растет быстрее, чем u_ПР, и С_ДИФ увеличивается.

На рис. 4.3 приведены эквивалентные схемы диода, работающего на переменном токе. Сопротивление R₀ (рис. 4.3,а) представляет собой суммарное, сравнительно небольшое сопротивление n- и р-областей.

Нелинейное сопротивление R_НЛ при прямом напряжении равно R_ПР, т.е. невелико, а при обратном – R_НЛ = R_ОБР, т.е. очень большое. Эта схема в различных частных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление велико и им можно пренебречь. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R₀ и R_ПР (рис. 4.3,б), а при обратном напряжении – только сопротивление R_ОБР, т.к. R₀ << R_ОБР (рис. 4.3,в). А на высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема, приведенная н6а рис. 4.3,г, а при обратном – остаются R_ОБР и R_б (рис. 4.3,д). Следует иметь в виду, что существует еще емкость С_В между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. Ее подключение показано на схеме пунктирной линией. Кроме нее на работу диода может оказывать влияние индуктивность проводов.