3.6. Инерционностьp-n-перехода

Под инерционностью понимается запаздывание реакции p-n-перехода на электрическое воздействие. Под воздействием может пониматься как изменение во времени приложенного напряжения (тогда реакция – это ток через p-n-переход), так и изменение во времени заданного через p-n-переход тока (тогда реакция – напряжение на переходе).

Основным последствием инерционности p-n-перехода является потеря свойства преимущественно односторонней проводимости при быстрых изменениях во времени (высокой частоте) входного воздействия.

Физической причиной инерционности являются конечное время движения основных носителей через переход и конечное время перезаряда паразитных емкостей перехода. Паразитными эти емкости называются потому, что они возникают помимо воли разработчиков-технологов, в силу особенности физических процессов в p-n-переходе. Чаще всего временем переноса носителей из-за малых геометрических размеров можно пренебречь и рассматривать только влияние паразитных емкостей.

3.6.1. Зарядная емкостьp-n-перехода

Рассмотрим область p-n-перехода как диэлектрик, а прилегающие низкоомныеn- ир-области – в качестве проводящих пластин. Тогдаp-n-переход можно представить в виде плоского конденсатора (см. рис. 3.9), обладающего емкостью

, (3.11)

где S – площадь p-n-перехода; l – длина p-n-перехода;  – диэлектрическая проницаемость.

Площадь Sдолжна быть тем больше, чем больше прямой ток, который протекает черезp-n-переход. Следовательно, у сильноточных переходов зарядная емкость, а поэтому и инерционность больше.

Наличие зарядной емкости, которая оказывается подключенной параллельно идеальному безынерционному переходу (рис. 3.10) делает невозможным скачкообразное изменение напряжения на переходе, т. к., согласно известному соотношению между током и напряжением на конденсаторе,

.

Для скачкообразного изменения U_с(когда) потребовалось бы бесконечное значение токаi_с, что физически невозможно.

Рис. 3.9. P-n-переход как плоский конденсатор	Рис. 3.10. Влияние зарядной емкости

Рассмотрим в этой связи схему на рис. 3.11 и соответствующие ей временные диаграммы. При отрицательном значении управляющего источника Е p-n-переход был смещен в прямом направлении (открыт). При скачкообразном изменении ЭДС управляющего источника на положительное (запирающее) значение конечное время перезаряда паразитной емкости приводит к тому, что в течение времениtпереход не «подчиняется» запирающему воздействию и продолжает оставаться открытым.

Если представить случай, когда длительность импульсов управления t₀станет соизмерима сt(высокая частота изменения управляющего сигнала),p-n-переход будет оставаться в проводящем состоянии прилюбойполярности управляющего сигнала, т. е. потеряет свое главное свойство – вентильное (односторонней проводимости). Так как ширинаp-n-перехода зависит от величины и знака приложенного напряжения

l = F(U),

то и зарядная емкость согласно (3.11) тоже зависит от напряжения, т. е. является нелинейной емкостью. Эта особенность находит практическое применение в специальных двухполюсных элементах – варикапах – электрически управляемых емкостях, которые можно использовать, например, для дистанционного переключения программ телевидения, когда изменяемая емкость варикапа, подключаемая параллельно резонансному контуру телевизионного приемника, меняет частоту настройки.

С_з

Рис. 3.11. Влияние С_з на скорость переключения p-n-перехода из проводящего состояния в запертое