Емкости полупроводникового диода

Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда + Q_обр и - Q_обр, созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому р-п -переход обладает емкостью, подобной емкости конден­сатора с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью. При посто­янном напряжении она определяется отношением:

C_б = Q_обр/U_обр , (3.2)

а при переменном напряжении:

C_б = ∆Q_обр/∆U_обр = , (3.3)

где C_бо – равновесное значение барьерной емкостии0.3< n ≤0.5.

Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади р-n -перехода и диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Несмот­ря на то что у диодов небольшой мощности площадь перехода мала, емкость С_б получается весьма заметной за счет малой толщины запирающего слоя и сравнительно большой относительной диэлектрической проницаемости (например, у кремния ε= 12). В зависимости от площади перехода С_б может быть от единиц до сотен пикофарад. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличи­вается и емкость С_б уменьшается. Характер зависимости С₆ =f(U_обр) показывает график на рис. 3.2.

.

Рис. 3.2. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжении

Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит пе­ременный ток.

При прямом напряжении диод кроме барьерной емкости обладает так называемой диффузионной емкостью С_диф, которая также нелинейна и возрастает при увеличении U_пр. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в p - и n -областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют (инжектируют) через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в p - и n -областях. Каждому значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух равных разноименных зарядов + Q_диф и – Q_диф, накопленных в р-n -областях за счет диффузии носителей через переход. Емкость C_диф при постоян­ном напряжении представляет собой отношение заряда к разности потенциалов:

C_диф = Q_диф/U_пр , (3.4)

при переменном напряжении:

C_диф=∆ Q_диф /∆U_пр = , (3.5)

где τ – время пролета неосновных носителей заряда через базу.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Модели диодов

Нелинейная модель диода для большого сигнала показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3 Нелинейная модель диода

 

Эта модель содержит уравнения (3.1) для генератора тока I и (3.3), (3.4) для нелинейной емкости C диода.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его малосигнальную эквива­лентную схему для переменного тока (рис. 3.4, а). Сопротивление R₀ в этой схеме представляет собой суммарное, сравнительно небольшое сопротивление п- и р-областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротив­ление R_НJ1 при прямом напряжении равно R_np, т. е. невелико, а при обратном напряжении R_НЛ = R_обр, т. е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частных случаях может быть упрощена.

Рис. 3.4. Полная и упрощенные линейные эквивалентные схемы диода

 

На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и можно емкость не учитывать. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротив­ления R₀ и R_up (рис. 3.4,б), а при обратном напряжении — только сопротив­ление R_о6р, так как R₀ «R_a6p (рис. 3.4,в).

А на высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис. 3.4,г (если частота не очень высокая, то С_ДИФ практически не влияет), а при обратном остаются R_o6p и С_б (рис. 3.4,д).

Следует иметь в виду, что существует еще емкость С_В между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. Она показана на рисунке штрихами. На СВЧ может также оказывать влияние индуктивность выводов L.