Кроме электропроводимости, p-n переход имеет и определённую ёмкость. Это обусловлено тем, что по обе стороны от металлургической границы могут появляться как неподвижные заряды в виде ионов примесей, так и подвижные в виде электронов и дырок.
Различают барьерную и диффузионную ёмкости.
Барьерная ёмкость Сбар обусловлена наличием в обеднённом слое противоположно заряженных ионов примесей, выполняющих роль диэлектрика, а низкоомные области (n и p) – роль “пластин’ конденсатора.
Известно, что ёмкость плоского конденсатора определяется:
где: S – площадь пластин конденсатора;
d – расстояние между пластинами (толщина диэлектрика).
Величину Сбар для резкого перехода можно определить из приближённого выражения:
где: S и d – площадь и толщина p-n перехода, соответственно.
С увеличением обратного напряжения (Uобр) барьерная ёмкость уменьшается из-за увеличения толщины перехода d.
Зависимость Сбар=f(Uобр) называется вольт-фарадной характеристикой
При подключении к p-n переходу прямого напряжения барьерная ёмкость несколько увеличивается вследствие уменьшения d. Однако в этом случае приращение зарядов за счёт инжекции играет большую роль и теперь ёмкость p-n перехода определяется, в основном, диффузионной составляющей ёмкости.
Диффузионная ёмкость Сдиф. характеризует накопление неравновесных зарядов (неосновных носителей) по обе стороны металлургической границы. Так как время жизни электронов и дырок до наступления рекомбинации конечно, то по обе стороны металлургической границы появляются дополнительные объёмные заряды, величина которых для малых приращений напряжений линейно увеличивается при увеличении прямого тока Iпр:
Сдиф.= Кд•Iпр .; где Кд – коэффициент, определяемый свойствами p-n перехода.
Uпр
t
График изменения тока через p-n переход при
Uобр изменении полярности напряжения
Iпр
t
Iобр
При прямом токе, как правило Сдиф. > Сбар.
Результирующая ёмкость равна:
Срез= Сдиф. + Сбар
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковым диодом называют прибор с одним электрическим переходом, который, в большинстве случаев, является переходом p-n типа. Как правило такой переход размещён в герметичном корпусе(металлическом, пластмассовом или металлостеклянном) и имеет два вывода.
По функциональному назначению диоды делят на следующие основные группы:
1. Выпрямительные (в том числе силовые);
2. Высокочастотные;
3. Импульсные;
4. Стабилитроны;
5. Варикапы;
6. Туннельные;
7. Фотодиоды;
8. Светодиоды;
9. Магнитодиоды;
10. Диоды Гана;
11. Генераторы шума и др.
Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n переходов: низкоомная область – эмиттер; высокоомная область – база. Используют p-i, n-i переходы, а также переходы металл-полупроводник (переходы Шоттки).
Идеализированная вольт-амперная характеристика диода описывается уравнением Шокли:
Реальные ВАХ отличаются от идеализированной. Это обусловлено тем, что I0 зависит как от материала полупроводника, так и температуры. У диодов на основе Ge – Iобр≈ I0, на основе Si – I0 ≪ Iобр.
Прямая ветвь ВАХ зависит от степени несимметрии p-n перехода и др.
На практике сложно и не всегда целесообразно выделять составляющие, которые искажают идеализированную ВАХ.
Условное графическое обозначение (УГО):
где: “+” – Анод; “ – ” – Катод.
РАБОЧИЙ РЕЖИМ ДИОДА.
В практических схемах в цепь диода включается нагрузка и электродвижущая сила:
Прямой ток Iпр в такой схеме может протекать когда на анод подан положительный потенциал. Направление прямого тока указывает остриё стрелки ►.
Режим диода с нагрузкой называется рабочим. Анализ уравнения Шокли показывает, что зависимость Iпр от Uпр является нелинейной, а значит закон Ома даже для такой цепи не может быть применён.
Действительно, расчёт цепи по закону Ома может сводиться к определению Iпр по формуле:
, но Uд зависит от Iпр [ Uд = f(Iпр) ]
Поэтому для такой цепи применяется графоаналитический метод.
Как правило задача состоит в следующем:
Известно: Е, Rн, и ВАХ диода.
Необходимо найти: Iпр, Uд
Порядок решения.
1. На оси ординат определяется точка при коротком замыкании диода (
(точка А);
2. На оси абсцисс определяется точка при (
,тогда Uд =Uпр =E (точка В);
3. Прямая, проходящая через т.А и т.В пересекает ВАХ в т.С (рабочая точка);
4. Проекция точки С: на ось Iпр даёт Iпр.с;
на ось Uпр – Uд; UR= Е– Uд
