7. Физическая природа емкости полупроводникового диода (варикапа)
Если ток через полупроводниковый диод (или приложенное к нему напряжение от внешнего источника) быстро изменяются, то новое распределение зарядов устанавливается не сразу. Внешнее напряжение меняет ширину перехода, а значит, и величину пространственных зарядов в переходе. Кроме того, при инжекции (или экстракции) меняются заряды в области базы. Таким образом, р-п переход в полупроводниковом диоде обладает свойством емкости - может накапливать и изменять электрические заряды.
Следовательно, наряду с проводимостью, диод обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно р-п переходу. Эту емкость принято разделять на две составляющие: барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость, отражающую перераспределение зарядов в базе. Такое разделение емкостей условно, но удобно на практике.
Барьерная емкость полупроводникового диода. Барьерная (зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом ионов примесей, сосредоточенными по обе стороны от границы р-n-перехода. Эта емкость связана с образованием потенциального барьера между р и п областями и поэтому называется барьерной емкостью.
Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад. Изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.
Величина барьерной емкости может определяется из формулы:
, (6)
где - барьерная емкость;
- диэлектрическая проницаемость полупроводника;
- диэлектрическая проницаемость вакуума, 8,85•10-12 Ф/м;
- площадь р-п-перехода;
- толщина р-п перехода.
Несмотря на сходство формул, между барьерной емкостью и емкостью обычного конденсатора имеется принципиальное различие. В обычном конденсаторе расстояние между его пластинами, а, следовательно, и его емкость не зависят от напряжения, приложенного к конденсатору. Толщина же р-п перехода зависит от приложенного к нему напряжения. Следовательно, барьерная емкость зависит от напряжения: при возрастании запирающего напряжения толщина р-п перехода увеличивается, а его барьерная емкость уменьшается. Зависимость Cб(U) является нелинейной. Обратный ток запертого полупроводникового диода мал, т. е. мала проводимость, которая шунтирует барьерную емкость.
Диффузионная емкость полупроводникового диода. Если полупроводниковый диод отперт, то, кроме барьерной емкости, появляется диффузионная емкость. Название следует из того, что протекание прямого тока и возникновение дополнительной емкости обусловлено диффузией электронов и дырок. Рассмотрим механизм возникновения диффузионной емкости. При протекании прямого тока электроны входят в p-область, а дырки - в п-область. Приток дырок в п-область создает там положительный заряд. Одновременно в п-область из внешней цепи от источника напряжения входят электроны. Заряды электронов компенсируют заряды дырок. Таким образом, в п-области появляются положительный заряд дырок и равный ему по абсолютной величине отрицательный заряд электронов. При изменении прямого напряжения и прямого тока оба эти заряда изменяются, оставаясь равными один другому. Если р-п переход заперт, то оба эти заряда равны нулю. Аналогичные процессы происходят и в р-области.
Таким образом, при протекании прямого тока появляется диффузионная емкость, обусловленная накоплением зарядов в р- и п- областях. Внешнее напряжение может изменять этих заряды. Диффузионная емкость нелинейная; она резко возрастает при увеличении прямого напряжения.
Диффузионная емкость шунтирована малым прямым сопротивлением отпертого р-п перехода, поэтому ее добротность мала. Диффузионная емкость почти не применяется в схемах из-за ее низкой добротности, сильной зависимости от температуры, высокого уровня шумов.
- 1. Полупроводниковый диод
- 2. р-n-переход полупроводникового диода
- 3. Характеристики р-n-перехода полупроводникового диода
- 4. p-n-переход без внешнего источника напряжения
- 5. p-n-переход при внешнем напряжении
- 6. Вольтамперные характеристики p-n перехода
- 7. Физическая природа емкости полупроводникового диода (варикапа)
- 8. Зависимость барьерной емкости от постоянного напряжения
- 9. Рабочий интервал напряжений варикапов. Коэффициент перекрытия. Коэффициент нелинейности
- 10. Метод измерения емкости варикапов
- 11. Рабочий диапазон частот варикапа. Добротность
- Литература