Частотные и импульсные свойства p-n-перехода

При воздействии на p-n-переход напряжения высокой частоты начинают проявляться инерционные свойства перехода: распределение носителей при достаточно быстрых изменениях тока или напряжения требует определенного времени. Внешнее напряжение изменяет ширину запрещенной зоны, высоту потенциального барьера, граничную концентрацию носителей (величину объемных зарядов в переходе), следовательно, p-n-переход обладает емкостью. Для p-n-перехода характерны два состояния (прямо- и обратносмещенное), поэтому эту емкость можно условно разделить на две составляющие - барьерную и диффузионную. Деление емкостей на барьерную и диффузионную является чисто условным, но, учитывая тот факт, что значения их сильно отличаются, на практике понятие барьерной емкости удобнее использовать для обратносмещенного p-n-перехода, а диффузионной - для прямосмещенного.

Барьерная емкость отражает перераспределение носителей в p-n-переходе, то есть эта емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом, сосредоточенным по обе стороны от границы перехода. Роль диэлектрика у барьерной емкости выполняет запрещенная зона, практически лишенная носителей. Барьерная емкость зависит от площади перехода, от концентрации примеси, от напряжения на переходе:

(2.11)

где П - площадь p-n-перехода (в зависимости от площади перехода барьерная емкость может изменяться от единиц до сотен пикофарад); x - диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; N_д - концентрация примеси; U - напряжение на переходе.

Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пФ. При постоянном напряжении на переходе барьерная емкость определяется отношением , а при переменном .

Особенностью барьерной емкости является то, что она изменяется при изменении напряжения на переходе (рис. 1.2); изменение барьерной емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины, то есть эта емкость нелинейна, и при увеличении обратного напряжения барьерная емкость уменьшается, так как возрастает толщина запирающего слоя (площадь p-n-перехода).

Рис. 2.2. Зависимость барьерной емкости от напряжения

В силовых полупроводниковых приборах площадь p-n-перехода делается большой, поэтому у них велика величина барьерной емкости. Такие полупроводниковые диоды называют плоскостными. Если такой прибор использовать, например, для выпрямления переменного напряжения высокой частоты в постоянное, то барьерная емкость, зашунтировав переход, нарушает его одностороннюю проводимость, то есть переход теряет выпрямительные свойства, поэтому частотный диапазон плоскостных диодовограничивается промышленными частотами. Но барьерная емкость может быть и полезной: приборы с явно выраженными емкостными свойствами (варикапы)используются для электронной перестройки контуров.

У точечных p-n-переходов площадь перехода мала, поэтому барьерная емкость невелика и частотный диапазон гораздо шире, чем у плоскостных.

Диффузионная емкость отражает перераспределение носителей в базе:

(2.12)

где t - время жизни носителей; I_пр - прямой ток через диод.

Значение диффузионной емкости колеблется от сотен до тысяч пФ.

Диффузионная емкость также нелинейна и возрастает с увеличением прямого напряжения. Образование этой емкости схематично можно представить следующим образом. Эмиттером будем считать p-область, а базой n-область. Носители из эмиттера инжектируются в базу. В базе вблизи перехода происходит скопление дырок - объемный положительный заряд, но в это время от источника прямого напряжения в n-область поступают электроны, и в этой облаcти, ближе к внешнему выводу, скапливается отрицательный объемный заряд. Таким образом, в n-области наблюдается образование двух разноименных зарядов "+Q_диф" и "-Q_диф". При постоянном напряжении эта емкость рассматривается как отношение абсолютных значений заряда и контактной разности потенциалов (прямого напряжения):

, (2.13)

а при переменном

. (2.14)

Так как вольт-амперная характеристика перехода нелинейна, то с увеличением внешнего напряжения прямой ток растет быстрее, чем прямое напряжение на переходе, поэтому и заряд "Q_диф" растет быстрее, чем прямое напряжение, и диффузионная емкость тоже увеличивается.

Диффузионная емкость является причиной инерционности полупроводниковых приборов при работе в диапазоне высоких частот и в режиме ключа, так как процесс накопления и особенно рассасывания объемного заряда требует затраты определенного времени.

На рис 2.3. приведена эквивалентная схема замещения где r_p-n - сопротивление прямосмещенного p-n-перехода; r_обр - сопротивление обратносмещенного p-n-перехода (r_обл< r_пр<< r_обр); r_о - суммарное сопротивление n- и p-областей и контактов этих областей с выводами. Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее для практических целей нельзя, так как она зашунтирована малым сопротивлением прямосмещенного p-n-перехода.

Рис. 2.3. Эквивалентные схемы перехода на высоких частотах:

а - для барьерной емкости (С_диф); б - для диффузионной емкости (С_бар).

где r_p-n - сопротивление прямосмещенного p-n-перехода;

r_обр - сопротивление обратносмещенного p-n-перехода (r_обл< r_пр<< r_обр);

r_о - суммарное сопротивление n- и p-областей и контактов этих областей с выводами.

На низких частотах сопротивления диффузионной и барьерной емкостей очень велики и не оказывают шунтирующего действия на переход, поэтому они не подлежат учету.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее для практических целей нельзя, так как она зашунтирована малым сопротивлением прямосмещенного p-n-перехода.

Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов в устройствах с микросекундной и наносекундной длительностью импульсов
Важным параметром при этом будет время восстановления обратного сопротивления t_вос - интервал времени от момента переключения до момента, когда обратный ток уменьшается до заданного уровня отсчета; при подаче на диод запирающего импульса ток не может мгновенно уменьшиться до нуля, так как в базе образовался объемный заряд и на его рассасывание требуется определенное время.