Емкостные свойства перехода

Как отмечалось в п. 2.2., p-n-переход обладает емкостными свойст-вами, которые выражаются в способности накапливать положительные и отрицательные заряды и изменять их количество при изменении приложенного напряжения. Поскольку процесс накопления заряженных частиц происходит в двух характерных областях структуры перехода, емкость перехода складывается из двух составляющих.

Рис.2.7. К формированию барьерной емкости перехода.

Первая из отмеченных составляющих емкости определяется накоплением в переходе положительных и отрицательных объемных зарядов неподвижных ионов доноров и акцепторов. Эта составляющая называется

барьерной емкостью перехода С _Б. Название связано с тем, что барьерная емкость создается теми же зарядами, которые создают в переходе электрическое поле и потенциальный барьер. Формирование барьерной емкости иллюстрирует рис. 2.7, на котором представлен фрагмент одномерной структуры симметричного перехода при подаче на него небольшого обратного напряжения.

Как видно из рисунка, при подаче на переход обратного напряжения его ширина увеличивается, и к зарядам ионов доноров Q_D и акцепторов Q_A добавляются заряды dQ_D и dQ_A двух тонких слоев толщиной dΔ_n и dΔ_p, расположенных на расстоянии, равном ширине перехода Δ. Поэтому барьерная емкость может рассматриваться как емкость плоского конденсатора с расстоянием между обкладками, равным ширине перехода. Следует заметить, что роль изолятора между обкладками играет сам переход, поскольку при обратном смещении его сопротивление очень велико. Выражение для барьерной емкости в этом случае имеет вид

, (2.19)

Где - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; – электрическая постоянная; - площадь поперечного сечения перехода.

При увеличении обратного напряжения ширина перехода увеличивается, и барьерная емкость уменьшается согласно выражению

, (2.20)

где – барьерная емкость в равновесном состоянии ( = 0). Зависимость барьерной емкости от напряжения на переходе показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Вольтфарадная характеристика перехода.

Вторая составляющая емкости перехода определяется накоплением избыточных зарядов подвижных носителей в базе перехода. Как видно из рис. 2.3, в, при подаче прямого напряжения вследствие инжекции в прилегающей к переходу области базы избыточная концентрация электронов может значительно превышает равновесную концентрацию. В силу диэлектрической релаксации в этой области возникает такая же по величине избыточная концентрация дырок ( p ) – см. выше, п. 1.6.. Накопление в базе перехода избыточных объемных зарядов электронов и дырок определяет появление диффузионной емкости перехода. Ее название связано с диффузионным движением электронов в базе. Поскольку избыточная концентрация электронов в базе увеличивается с ростом прямого тока, диффузионная емкость также растет с увеличением прямого тока в соответствие с выражением

, (2.21)

где - время жизни электронов в базе.

Зависимость диффузионной емкости от напряжения на переходе также приведена на вольтфарадной характеристике – см. рис. 2.8. Как видно из рисунка, вид этой зависимости аналогичен виду прямой ветви вольтамперной характеристики перехода. При обратном смещении диффузионная емкость практически равна нулю, и при оценке емкости перехода достаточно учитывать его барьерную емкость. При прямом напряжении, превышающем пороговое напряжение, когда переход отпирается, и через него течетбольшой прямой ток, диффузионная емкость резко увеличивается и может на порядки превосходить барьерную, величиной которой в этом случае можно пренебречь. При небольших прямых напряжениях необходимо учитывать обе составляющие емкости перехода

. (2.22)

Следует иметь в виду, что заряд и разряд емкости (накопление и рассасывание избыточных зарядов) представляет собой инерционные процессы. Поэтому наличие емкости переходов ограничивает быстродействие полупроводниковых приборов. Поскольку время заряда и разряда пропорционально величине емкости, влияние диффузионной емкости, которая может принимать достаточно большие величины, сказывается сильнее, чем влияние барьерной емкости. Для того, чтобы уменьшить диффузионную емкость необходимо в соответствии с выражением (2.21) уменьшать время жизни электронов в базе. С этой целью базы диодов и биполярных транзисторов (см. ниже, п. 4) легируют специальными примесями, создающими разрешенные энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны – ловушки электронов – см. выше, п. 1.6.

Емкостные свойства перехода находят практическое применение в специальном диоде, который называется варикапом. Он используется в качестве нелинейной емкости, изменяемой приложенным к нему напряжением. Варикап работает при обратном смещении, и в основе его работы лежит зависимость барьерной емкости от напряжения.