8.5.4. Емкостные свойства электронно-дырочного перехода.

При изменении внешнего напряжения изменяется толщина р-n перехода формулы (8.51), (8.68), вследствие чего меняются величины суммарных зарядов как неподвижных ионов примесей, так и подвижных зарядов. В связи с этим различают две составляющие емкости электронно-дырочного перехода – барьерную и диф-фузионную.

В резком несимметричном р⁺ - n переходе площадью поперечного сечения S объемный заряд ионов с учетом формул (8.49, 8.51 и 8.67) определяется выражением

. (8.83)

При изменени напряжения на переходе происходит изменение толщины перехода, а соответственно и величины нескомпенсированного заряда ионов, что и обуславливает емкостный эффект.

Барьерную (или зарядовую) емкость р-n перехода найдем, взяв производную от выражения (8.83) по напряжению

(8.84)

Из выражения (8.84) следует, что барьерная емкость пропорциональна площади перехода, растет пр увеличении концентрации примесей и нелинейно зависит от внешнего напряжения. Возможность влияния на барьерную емкость р-n перехода внешнего напряжения лежит в основе его использования в качестве управляемого переменного конденсатора.

При прямом напряжении на переходе барьерная емкость шунтируется диффузионным током, поэтому р-n переход используется в качестве конденсатора только при обратном напряжении. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения описывается выражением

, (8.85)

где

.

На рис. 8.20 эта зависимость представлена кривой 1.

П ри подаче на несимметричный р-n переход прямого напряжения в базе n- области за счет преимущественной инжекции в нее дырок накапливается неравновесный положительный заряд. Инжекция дырок в базу вызывает поступление в нее из внешней цепи такого же количества электронов, создающих неравновесный отрицательный заряд. Из-за инерционности процессов рекомбинации носителей в базе одновременно могут существовать два неравновесных разноименных заряда подвижных носителей. При изменении прямого напряжения меняются ток инжекции и ток во внешней цепи, а следовательно, и величины разноименных неравновесных зарядов, созданных подвижными носителями.

При изменении обратного напряжения на переходе ток экстракции вызывает значительно меньшее изменение неравновесных зарядов разных знаков в базе, чем ток инжекции.

Таким образом, изменение неравновесного заряда подвижных носителей в базе за счет изменения внешнего напряжения свидетельствует о существовании еще одной емкости перехода.

Так как создание неравновесных зарядов подвижных носителей в основном обусловлено диффузионным током через переход, то вторую емкость называют диффузионной.

Для удобства сравнения барьерной и диффузной емкостей их условно считают составляющими емкости р-n перехода, включенными параллельно.

Неравновесный заряд в р-n переходе в случае толстой базы (W_n >> L_P) равен произведению тока инжекции, созданного в основном дырками, на время жизни дырок; то есть

. (8.86)

Подставив в формулу выражение (8.80), получим

(8.87)

Продифференцируем выражение (8.87) по U, тогда для диффузионной емкости получим выражение

(8.88)

В случае тонкой базы (W_n <<L_p) диффузионная емкость определяется не τ_p, а временем пролета дырок через базу , которое меньше τ_p. На рис. 8.20 прямая 2 представлена зависимость диффузионной емкости от прямого напряжения на переходе. Из сравнения зависимостей 1 и 2 следует, что диффузионная емкость значительно больше чем барьерная. При обратных напряжениях диффузионная емкость значительно меньше барьерной.

Диффузионная емкость характеризует инерционность р-n структуры при включении прямого напряжения. Для уменьшения инерционности р-n структуры уменьшают толщину базы W_n и время жизни неосновных носителей τ_p.