3.6.3. Диффузионная емкость

Эта емкость связана с наличием в р- иn-областях избыточных носителей. На рис. 2.8 было показано распределение неравновес­ных и избыточных неосновных и основных носителей в областях. При прямом напряжении происходит процесс инжекции неосновных носителей (рис. 3.22,а). Появляются избыточные концентрации не­основных носителей в каждой области и в соответствии с условием электрической нейтральности равные им избыточные концентрации основных носителей. Таким образом, в n-области (как и в конденса­торе) оказываются в равном количестве положительный заряд из­быточных дырок (неосновные носители) и отрицательный заряд из­быточных электронов (основные носители). Аналогично р-область ведет себя как конденсатор с отрицательным зарядом избыточных электронов (неосновные носители) и равным ему положительным зарядом избыточных дырок (основные носители).

Процесс накопления избыточных зарядов – инерционный про­цесс, связанный с временем жизни неосновных носителей. Это нако­пление принято характеризовать дифференциальной диффузионной емкостью, которая учитывает изменение избыточных носителей (дырок и электронов) в обеих областях при изменении напряжения:

(3.60)

Используя формулы (3.35) для распределения избыточных но­сителей вне перехода и формулы (3.60) и (3.7), получаем

(3.61)

Диффузионная емкость определяется прямыми диффузион­ными токами дырок I_р и электронов I_n (отсюда и название емкости) и временем жизни неосновных носителей _р и _n. Если переход не­симметричный, например N_а >>N_д, то I_р>>I_n и I = I_p + I_n  I_p и, сле­довательно,

(3.61а)

Но для идеализированного р-n-перехода _Т/I – дифференциаль­ное сопротивление R_диф (3.51 а), поэтому

(3.62)

Так как диффузионные токи I_p и I_n зависят от напряжения (растут при прямом напряжении и быстро обращаются в нуль при обрат­ном), то и зависимость С_дф от напряжения примерно повторяет ход прямой ветви ВАХ (рис. 3.22,6). Значение С_дф при относительно ма­лых прямых напряжениях и при обратном напряжении можно не учи­тывать (С_дф << С_бо).

Диффузионная емкость растет с увеличением времени жиз­ни неосновных носителей (_р, _n) или диффузионной длины (, ), так как при этом происходит увеличение чис­ла накопленных избыточных носителей в областях. В отличие от барьерной емкости диффузионная емкость зависит от частоты приложенного переменного напряжения. На высоких частотах, ког­да период напряжения становится меньше времени жизни, инжектируемые носители не успевают накапливаться в областях. Теория (см. § 3.7) показывает, что С_дф с ростом частоты убывает примерно по закону и на очень высоких частотах ею можно пренебречь (С_дф  0), и поэтому С_дф играет большую роль на низких частотах и при прямом напряжении, когда велико значение прямого тока.

Следует отметить еще одно важное отличие С_дф от барьерной емкости. Через барьерную емкость протекают токи смещения, в то время как через диффузионную емкость – ток носителей. Диффузи­онная емкость отражает инерционность процесса накопления и рас­сасывания избыточных носителей в областях р-n-структуры. Поэто­му диффузионную емкость называют иногда «фиктивной» емко­стью, формально позволяющей описать инерционные свойства р-n-перехода. При этом также говорят о зарядке и разрядке этой емкости, как для обычного конденсатора.