4.2. Емкость полупроводникового диода

Выше говорилось о том, что р-nпереход при обратном напряженииu_ОБРаналогичен конденсатору с током утечки в диэлектрике. 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 примесей.

Поэтому р-nпереход обладает емкостью, подобной емкости плоского конденсатора, которую называютбарьерной емкостью.

При постоянном напряжении она определяется соотношением:

С_б=Q_ОБР / u_ОБР, (4.1)

при переменном напряжении:

С_б=Q_ОБР / u_ОБР. (4.2)

Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади р-nперехода и

диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Несмотря на то, что у диодов малой мощности площадь перехода мала, емкость С_бполучается весьма заметной за счет малой толщины запирающего слоя и сравнительно большой относительной диэлектрической проницаемости (например, у германия= 16). В зависимости от площади перехода С_бможет быть от единиц до сотен пикофарад. Особенностью барьерной емкости является ее нелинейность. Характер зависимости С_б=f (u_ОБР) приведен на рис. 4.2, из которой видно, что под влиянием напряженияu_ОБРемкость С_бизменяется в несколько раз.

При прямом напряжении диод кроме барьерной емкости обладает так называемой диффузионной емкостью С_ДИФ, которая так же нелинейна и возрастает при увеличенииu_ПР. Она характеризует накопление подвижных носителей заряда вn- ир-областях при прямом напряжении на переходе. Эта зависимость практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют (инжектируют) через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в областях. Поэтому каждому значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух разноименных зарядов +Q_ДИФи –Q_ДИФ. Диффузионная емкость при постоянном напряжении определяется:

С_ДИФ=Q_ДИФ / u_ПР, (4.3)

С увеличением u_ПРпрямой ток растет быстрее, чем напряжение, т.к. ВАХ для прямого тока нелинейна; поэтомуQ_ДИФ растет быстрее, чемu_ПР, и С_ДИФувеличивается.

На рис. 4.3 приведены эквивалентные схемы диода, работающего на переменном токе. Сопротивление R₀(рис. 4.3,а) представляет собой суммарное, сравнительно небольшое сопротивлениеn-ир-областей.

Нелинейное сопротивление R_НЛпри прямом напряжении равноR_ПР, т.е. невелико, а при обратном – R_НЛ= R_ОБР, т.е. очень большое. Эта схема в различных частных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление велико и им можно пренебречь. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R₀и R_ПР(рис. 4.3,б), а при обратном напряжении – только сопротивление R_ОБР, т.к. R₀R_ОБР(рис. 4.3,в). А на высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема, приведенная н6а рис. 4.3,г, а при обратном – остаются R_ОБРи R_б(рис. 4.3,д). Следует иметь в виду, что существует еще емкость С_Вмежду выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. Ее подключение показано на схеме пунктирной линией. Кроме нее на работу диода может оказывать влияние индуктивность проводов.