61) Зарядная емкость p-n перехода

Рис. 3.9. P-n-переход как плоский конденсатор

Рассмотрим область p-n-перехода как диэлектрик, а прилегающие низкоомные n- и р-области – в качестве проводящих пластин. Тогда p-n-переход можно представить в виде плоского конденсатора (рис. 3.9), обладающего емкостью

, (3.11)

Рис. 3.10. Влияние зарядной емкости

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

Площадь S должна быть тем больше, чем больше прямой ток, который протекает через p-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 тока i_с, что физически невозможно.

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 t переход не “подчиняется” запирающему воздействию и продолжает оставаться открытым.

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

Если представить случай, когда длительность импульсов управления t₀ станет соизмерима с t (высокая частота изменения управляющего сигнала), p-n-переход будет оставаться в проводящем состоянии при любой полярности управляющего сигнала, т. е. потеряет свое главное свойство – вентильное (односторонней проводимости). Так как ширина p-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.

62) Диффузионная емкость p-n перехода

Диффузионная емкость – это виртуальная емкость, с помощью которой моделируют эффект конечного времени “рассасывания” неравновесного заряда неосновных носителей в высокоомной части p-n–перехода.

Если, как и ранее, рассматривать случай, когда область р является более высокоомной, т. е.

n_n >> p_n,

то в области р электроны являются неосновными носителями и их равновесная концентрация мала. При подаче прямого смещения электроны – основные носители слоя n – в огромном количестве переходят в слой р, создавая там объемный заряд неравновесных неосновных носителей.

Если резко сменить приложенное напряжение на запирающее, то переход электронов из n–области прекратится, но электроны слоя n, оказавшиеся в р–слое (неравновесный объемный заряд), будут ,как неосновные носители, возвращаться в слой n, пока объемный заряд неосновных носителей в р–области не уменьшится до равновесного. Физически это означает, что в течение некоторого времени после смены напряжения с прямого на обратное через p-n–переход будет протекать обратный ток, намного больший равновесного значения I_S (см. рис. 3.12,а).

а б

Рис. 3.12. Проявление диффузионной емкости p-n-перехода:

а – при низкой скорости изменения сигнала;

б – при высокой скорости изменения сигнала

На рис. 3.12,б показано, как диффузионная емкость при высокой частоте изменения напряжения приводит к потере свойства односторонней проводимости p-n–перехода. Очевидно, что чем больше величина прямого тока, тем больше неравновесный заряд, тем больше времени необходимо для его рассасывания (разряда диффузионной емкости), тем больше инерционность p-n–перехода.