Емкость ЭДП. Зарядная и диффузионная емкости, их физическая интерпретация. Графическая зависимость зарядной емкости от обратного напряжения

Изменение внешнего напряжения U, приложенного к ЭДП, на значение dU приводит к изменению заряда Q, создаваемого положительными и отрицательными ионами в переходе, а также переносимого через переход электронами и дырками на значение dQ. Поэтому ЭДП ведёт себя подобно конденсатору, ёмкость которого C=dQ/dU. При этом различают зарядную(барьерную) и диффузионную ёмкости.

Зарядная ёмкость ЭДП обусловлена изменением зарядов положительных и отрицательных ионов примесных атомов в p-n-переходе при изменении обратного напряжения. С этой точки зрения ЭДП можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат нейтральные p- и n-обл.,а диэлектриком - запирающий слой p-n-перехода, толщиной .Ёмкость такого конденсатора равна С_зар= ₀S/ или с учётом(2.28) C_зар=Sv ₀qN_AN_Д/(2(N_A+N_Д)(U_K+U_обр)),(2.30) где S - площадь ЭДП. В общем случае зависимость зарядной ёмкости от приложенного обратного напряжения определяется формулой С_зар=С₀/((1+|U_обр|/U_K) ), (2.31) где С₀ - ёмкость ЭДП при U_обр=0; - коэффициент, зависящий от типа ЭДП (для резких ЭДП =1/2, а для плавных =1/3).Графическая зависимость С_зар=f(U_обр), соответствующая формуле(2.31), показана на рис. 1

При прямом включении ЭДП его толщина и заряд, образованный положительными и отрицательными ионами примесей, уменьшается, что приводит к снижению потенц. барьера и увеличению диффузионного перемещения основных подвижных носителей заряда через ЭДП. Изменение этого заряда dQ при изменении прямого напряжения dU_ПР характеризует диффузионную ёмкость ЭДП: С_ДИФ=dQ/dU_ПР.

На рис. 2 показана эквивалентная схема ЭДП по переменному току при прямом (а) и обратном (б) смещении. Элемент r₁ отображает сопротивление нейтральных p- и n- обл., r_д.пр. и r_д.обр. - соответственно дифференциальные сопротивления ЭДП при прямом и обратном включениях.

Рис. 1

Рис. 2

 

Эквивалентные схемы ЭДП при прямом и обратном включениях.

Прямое включение ЭДП

Прямым называется такое включение ЭДП, при котором к нему

подключается источник внешнего напряжения Uпр плюсом к p-области и минусом к n-области (рис. 2.7,а). Напряжённость электрического поля Eпр, образованного в полупроводнике источником внешнего напряжения имеет

противоположное направление с напряжённостью диффузионного поля Eдиф. Это приводит к уменьшению потенциального барьера (контактной разности потенциалов Uk), до значения Uk-Uпр (рис. 2.7,б). Ток диффузии основных носителей увеличивается, а дрейфовый ток практически не изменяется, т.к. он обусловлен сравнительно малой концентрацией неосновных носителей. Соотношение (2.21) становиться несправедливым, и через проводник протекает результирующий ток, определяемый током диффузии и направленный из p-области в n-область. Уменьшение потенциального барьера вызывает смещение вверх энергетических уровней области n-типа и снижение энергетических уровней p-области (рис. 2.7,в). Вследствие этого часть энергетических уровней зоны проводимости n-области, занятых электронами, располагаются напротив свободных энергетических уровней зоны проводимости p-области, а некоторой части дырок валентной зоны p-области соответствуют такие же энергетические уровни валентной зоны n-области, занятые электронами.

Из-за разности концентрации основных носителей в p- и n-областях происходит их направленное диффузионное перемещение. Уменьшение потенциального барьера вызывает уменьшение ширины области объемного заряда, определяемой уравнением (2.26) при подстановке в него место Uk значения Uk-Uпр:

При Uk = Uпр потенциальный барьер и область объемного заряда исчезают. При прямом включении ЭДП его сопротивление уменьшается до единиц – десятков Ом.

Обратное включение ЭДП: Если источник внешнего напряжения подключить плюсом к n-области, а минусом к p-области (рис. 2.8), то напряженность в области объемного заряда увеличится до значения Eдиф+Eобр, что приведет к увеличению потенциального барьера для диффузии основных носителей заряда до значения Uk+Uобр. В результате диффузионная составляющая электрического тока через ЭДП уменьшится. Для неосновных носителей заряда электрическое поле в ЭДП остается ускоряющим, но из-за малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими дрейфовый ток практически не изменяется. Тем самым нарушается условие равновесия, определяемое уравнением (2.21) и результирующий ток, протекающий через ЭДП, будет в основном определяться незначительным дрейфовым током неосновных носителей заряда: Iобр≈Iдиф+Iдр≈Iдр. Такое включение ЭДП называется обратным, а протекающий через него ток – обратным током. За счет внешнего напряжения Uобр произойдет смещение энергетических уровней p- и n- областей на q(Uk+Uобр) и увеличение ширины области объемного заряда, которая может быть найдена из уравнения (2.26) подстановкой в него вместо Uk величины Uk+Uобр:

Малый обратный ток свидетельствует о большом сопротивлении ЭДП при обратном включении, которое может составлять сотни килоом и единицы мегаом.