12.1.Емкость p-n перехода

При обратном напряжении p-n переход обеднен свободными носителями, его сопротивление очень велико, а по обе стороны находятся два разноименных объемных заряда, образованных ионизированными атомами донорной и акцепторной примесей. Такая структура представляет собой аналог плоского конденсатора (p-n переход – аналог диэлектрика, а p и n слои полупроводника – токопроводящие обкладки).

Рис.1.20. Барьерная емкость p-n перехода.

Емкость такого p-n перехода называется барьерной. Она зависит от величины приложенного обратного напряжения и уменьшается с его ростом (рис. 1.21). Это связано с эффектом зависимости ширины p-n перехода от обратного напряжения. С его ростом расширяется слой, обедненный носителями, что эквивалентно раздвижению обкладок конденсатора и уменьшению емкости.

Этот эффект позволяет использовать полупроводниковые приборы с p-n переходами в качестве управляемых напряжением конденсаторов (такие приборы называются варикапами и варакторами).

Рис.1.21. Зависимость барьерной емкости p-n перехода

от обратного напряжения.

Если p-n переход смещен в прямом направлении, то через него течет ток и вследствие инжекции происходит введение неосновных носителей в соответствующие слои полупроводника. Эти носители рекомбинируют с основными, но не сразу, а в течение некоторого интервала времени соответствующего временем жизни неосновных носителей. Вследствие того, что это время конечно, в p и n слоях полупроводника при прямом напряжении будут присутствовать избыточные заряды неосновных носителей (+Q_дифр в n-слое и –Q_диф в p-области).

Если резко изменить полярность напряжения с прямой на обратную, то накопленные неосновные носители станут вытягиваться электрическим полем в слои полупроводников, где они являются основными. Этот процесс называется экстракцией или рассасыванием неосновных носителей. Пока таких носителей много, через p-n переход течет большой обратный ток, ограниченный лишь сопротивлением внешней цепи. По мере вывода неосновных носителей обратный ток уменьшается и через некоторое время приближается к величине теплового тока I_o, как показано на рис. 1.22. Пока протекает большой ток, сопротивление запертого p-n перехода будет мало, а затем становится опять большим. Время, в течение которого p-n переход при подаче обратного напряжения восстанавливает свои свойства, называется временем восстановления обратного сопротивления. По величине оно имеет тот же порядок, что и время жизни неосновных носителей.

Рис.1.22. Время восстановления обратного сопротивления

p-n перехода.

Рассмотренный процесс похож на процесс, происходящий при заряде (накопление, инжекция неосновных носителей) и разряде (их рассасывание, экстракция) конденсатора. Поэтому при анализе и моделировании временных характеристик p-n перехода вводится понятие его диффузной емкости. То есть считается, что при прямом напряжении параллельно границе раздела слоев полупроводника включена емкость С_дифф, в которой накапливаются и из которой выводятся неосновные носители. Ее величина зависит от напряжения, (вернее от величины прямого тока через переход) и достигает значений тысяч и более пикофарад. При нулевых и обратных напряжениях С_дифф становится очень малой и основную роль начинает играть барьерная емкость.