Барьерная емкость р-n перехода

На рис. П. 7.1, а схематически представлено распределение зарядов в области перехода и границы перехода при напряжении V(сплошные линии). При изменении напряжения на малую величину dT ширина перехода изменяется. Если dV > 0, переход сужается и заштрихованные на рисунке области становятся электронейтральными. В результате заряд в эмиттерной области перехода уменьшается на величину +dQ, а заряд в базовой области перехода увеличивается на ту же величину (разумеется, переход в целом остается электрон ейтраль н ы м).

Рис. 11.7.1. Распределение зарядов вр-п переходе (а) и в плоском конденсаторе (б).

Нейтрализация заштрихованных областей перехода осуществляется дополнительными (не связанными с протеканием постоянного тока) дырками и электронами, поступившими в эмиттер и базу, соответственно, из внешней цепи.

Таким образом, при изменении напряжения на диоде на величину d Тв цепи диода протекает заряд dQ, изменяющий заряд эмиттерной и базовой областей перехода на величиныdQ и +dQ, соответственно. Аналогичные процессы протекают в плоском конденсаторе (рис. II.7.1,6), электрическая емкость которого определяется соотношением.

где е — диэлектрическая проницаемость изолятора; / - расстояние между обкладками.

Учесть накопление заряда в области перехода можно путем введения в эквивалентную схему диода барьерной емкости (рис. П. 7.2). Эта емкость подключается параллельно безынерционному элементу D, ВАХ которого соответствует ВАХ диода без учета сопротивления базы, введенного в схему отдельно. Единственное отличие барьерной емкости перехода от емкости плоского конденсатора заключается в том, что в плоском конденсаторе заряды ±<2 сосредоточены в плоскостях внутренних поверхностей обкладок, и расстояние между ними / остается неизменным. В барьерной емкости заряды ±Q занимают весь переход, однако приращения этих зарядов ±dQ также сосредоточены в плоскостях, ограничивающих р-п переход и отстоящих друг от друга на расстояние l (V). Таким образом, дифференциальная барьерная емкость р-п перехода определяется так же, как емкость плоского конденсатора:

где / — ширина ОПЗ.

Рис. 11.7.2. Эквивалентная схема полупроводникового диода.

Зависимость этой емкости от напряжения на переходе согласно (II.3.9) имеет вид.

где.

— равновесное значение барьерной емкости (при V = 0), k = 2 для ступенчатого перехода, k = 3 —для линейного.

Интегральное значение барьерной емкости перехода определяется как отношение избыточного (по сравнению с равновесным) заряда в переходе к напряжению.

Интегральная и дифференциальная емкости связаны между собой соотношением.

С учетом (II.7.2), (II.7.4).

При V—>0 значения интегральной и дифференциальной емкостей совпадают. При -V из (И.7.5а) получаем.

Отметим, что для расчета электронных схем более важной является дифференциальная емкость. Действительно, ток смещения через емкость есть.

В дальнейшем без специальных оговорок под термином «барьерная емкость» мы будем понимать дифференциальную барьерную емкость.

Интегральная емкость может быть использована для оценки длительности переходного процесса ее заряда.

где 1_С — средний ток через емкость; Vj и V₂ — начальное и конечное значения напряжения на емкости.

Вольтфарадная характеристика барьерной емкости представлена на рис. II.7.3. Пунктирная кривая соответствует формуле (II.7.2), которая получена в приближении полного обеднения ОПЗ носителями заряда, когда /(V) — ->0, и.

^v-*<9be.

C (V) ————> «>. Реально приближение полного обеднения перестает выполняться при V >~ <�р_ВЕ /2. При V —> у_ВЕ ширина ОПЗ имеет порядок дебаевской длины экранирования в базе.

Рис. 11.73. Зависимость барьерной емкости р-п перехода от напряжения.