8.Барьерная и диффузионная емкости диода.

Полупроводниковый диод инерционен по отношению к достаточно быстрым изменениям тока или напряжения, поскольку новое распределение носителей устанавливается не сразу. Как известно , внешнее напряжение меняет ширину перехода, а значит, и величину объемных зарядов в переходе. Кроме того, при инжекции или экстракции меняются заряды в области базы (роль зарядов в эмиттере мало существенна). Следовательно, диод обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно p-n переходу. Эту емкость можно разделить на две составляющие: барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость, отражающую перераспределение зарядов в базе. Такое разделение в общем условное, но оно удобно на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно при разных полярностях приложенного напряжения. При прямом напряжении главную роль играют избыточные заряды в базе и соответственно - диффузионная емкость. При обратном напряжении избыточные заряды в базе малы и главную роль играет барьерная емкость. Заметим заранее, что обе емкости не линейны: диффузионная емкость зависит от прямого тока, а барьерная - от обратного напряжения.

Определим величину барьерной емкости, считая переход несимметричным типа n⁺-p. Тогда протяженность отрицательного заряда в базе р-типа можно считать равной всей ширине перехода: . Запишем модуль этого заряда:

, (3.47)

где N - концентрация примеси в базе; S - площадь перехода. Такой же (но положительный) заряд будет в эмиттерном слое.

Представим, что эти заряды расположены на обкладках воображаемого конденсатора, емкость которого можно определить как

Учитывая выражение ширины перехода при обратном включении, и дифференцируя заряд Q по напряжению, окончательно получаем:

(3.48)

где и соответственно ширина и высота потенциального барьера при равновесном состоянии.

При определении диффузионной емкости будем учитывать, что перераспределение заряда в базе происходит за счет инжекции неосновных носителей в базу. Поскольку база р - типа , то неосновными носителями являются электроны. Тогда для толстой базы приращение концентрации определится из формулы (3.6а), в которой при условии можно пренебречь 1.

Определим как

При

(3.49)

Тогда

. (3.50а)

Учитывая значение теплового тока (3.11в) для толстой базы и связь , окончательно получим:

, (3.50б)

где диффузионный электронный ток в толстой базе;

 - время жизни неосновных носителей в базе.

В случае тонкой базы с учетом формулы (3.6б) при условии U>>_T определится как

(3.51)

Дифференцируя заряд по напряжению, и учитывая значение теплового тока для тонкой базы (3.11б), окончательно получаем:

(3.52)

где диффузионный электронный ток в тонкой базе;

среднее время диффузии или время пролета носителей через тонкую базу при чисто диффузионном механизме движения.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его полную эквивалентную схему для переменного тока (рис.3.10а).

Рис.3.10а.

Сопротивление R₀ в этой схеме представляет суммарное сравнительно небольшое сопротивление n- и p- областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление R_нл при прямом включении равно R_пр, т.е. невелико, а при обратном напряжении R_нл= R_обр, т.е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частотных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и емкость можно не учитывать. Тогда при прямом смещении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R₀ и R_пр (рис.3.10б),

Рис.3.10б.

а при обратном напряжении – только сопротивление R_обр, так как R₀<< R_обр (рис.3.10в).

Рис.3.10в.

На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис.3.10г, (если частота не очень высокая, то С_диф практически не влияет),

Рис.310г.

а при обратном остаются R_обр и С_б (рис.3.10д).

Рис.3.10д.

Следует иметь ввиду, что существует еще емкость С_в между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов.