Емкостные свойства p-n перехода

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 С_бар 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 С_бар для резкого перехода можно определить из приближённого выражения:

где: S и d – площадь и толщина p-n перехода, соответственно.

С увеличением обратного напряжения (U_обр) барьерная ёмкость уменьшается из-за увеличения толщины перехода d.

Зависимость С_бар=f(U_обр) 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 С_диф. 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 I_пр:

С_диф.= К_д•I_пр.; где К_д – коэффициент, определяемый свойствами p-n перехода.

U_пр

t

График изменения тока через p-n переход при

U_обр изменении полярности напряжения

I_пр

t

I_обр

При прямом токе, как правило С_диф. > С_бар.

Результирующая ёмкость равна:

С_рез= С_диф. + С_бар

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. Используютp-i, n-iпереходы, 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 – I_обр≈ I₀, на основе Si – I₀ ≪ I_обр.

Прямая ветвь ВАХ зависит от степени несимметрии p-nперехода 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 I_пр 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 I_пр от U_пр является нелинейной, а значит закон Ома даже для такой цепи не может быть применён.

Действительно, расчёт цепи по закону Ома может сводиться к определению I_пр по формуле:

, но U_д зависит от I_пр [U_д = f(I_пр)]

Поэтому для такой цепи применяется графоаналитический метод.

Как правило задача состоит в следующем:

Известно: Е, R_н, и ВАХ диода.

Необходимо найти: I_пр, U_д

Порядок решения.

1. На оси ординат определяется точка при коротком замыкании диода (

(точка А);

2. На оси абсцисс определяется точка при ( ,тогда U_д =U_пр =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 I_пр даёт I_пр.с;

на ось U_пр – U_д; U_R= Е– U_д