Физические основы работы полупроводниковых приборов, страница 5

При прямом включении внешнего источника и малых значениях Uпр= (40¸70) мВ значение ехр>> 1; тогда вольт-амперная характеристика приближенно определяется как:

Iпол≈Iо ехр.

При обратном включении ехр() << 1, тогда Iпол≈ – Iо

Таким образом, вольт-амперная характеристика определяет состояние открытого и закрытого р-n-перехода. Как видно, эта характеристика является существенно нелинейной. На участке прямого напряжения Uпр запирающий слой отсутствует, ток определяется только сопротивлением полупроводника. На участке обратного напряжения Uобр запирающий слой препядствует движению основных носителей, небольшой ток определяется движением неосновных носителей заряда. Следовательно, можно заключить, что р-n-переход обладает выпрямляющими свойствами. Эти свойства удобно оценивать,сопоставляя электрические сопротивления р-n-перехода при прямом и обратном включении. Излом вольт-амперной характеристики в начале координат обусловлен различными масштабами тока и напряжения при прямом и обратном направлении напряжения, приложенного к р-n-переходу.

1.7.  Емкости р-n-перехода

По обе стороны границы электронно- дырочного перехода действуют различные по знаку объемные электрические заряды. Значение объемных зарядов в самом переходе и за его пределами зависит от полярности и значения внешнего напряжения, приложенного к переходу.В связи с этим различают барьерную и диффузионную емкости электронно-дырочного перехода.

Барьерная емкость_- это емкость закрытого р-n-перехода. При обратном включении р-n-перехода электроны n-области и дырки р-области отходят от перехода, оставляя объемные заряды неподвижных ионов донорной Qд и акцепторной Qа примесей. Эти заряды сосредоточены в двух тонких слоях, расположенных по обе стороны от границы р-n-перехода (рис.1.8,а).

Изменение обратного напряжения вызывает и изменение ширины запирающего слоя ΔХ (1.3), а следовательно и объемных зарядов Qд и Qа.

Процесс изменения объемного заряда при изменении обратного напряжения воспринимается внешней цепью как электрическая емкость, котороя называется барьерной емкостью Сб (рис.1.8б).

Барьерная емкость

Рисунок 1.8

Расчетные соотношения для определения барьерной емкости можно получить, если принять что барьерная емкость эквивалентна емкости плоского конденсатора с расстоянием ΔХ между обкладками (рис.1.8,б).

где  Sр-n – площадь р-n-перехода.                                       

Подставляя значение ΔХ из формулы (1.3), получим выражение для барьерной емкости

На рис.1.9 показана зависимость барьерной емкости от обратного напряжения С_б = φ(U_обр). Эта зависимость называется вольт-фарадной характеристикой р-n-перехода.

Вольт- фарадная характеристика

Рисунок 1.9

Увеличение обратного напряжения расширяет область пространственного заряда. Это приводит к уменьшению барьерной емкости. Барьерная емкость р-n-перехода используется в качестве конденсаторов переменной емкости, имеет высокую добротность, малый температурный коэффициент, низкий уровень шумов и не зависит от частоты вплоть до миллиметрового диапазона.

Диффузионная емкость- это емкость открытого р-n-перехода. Она существует только при прямом включении р-n-перехода, когда носители заряда в большом количестве диффундируют через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать в области перехода, накапливаются в n- и р- областях, создавая избыточные объемные заряды Qизб р в n-области и Qизб n в р-области (рис.1.5).Одновременно под действием источника прямого напряжения Uпр по проводам внешней цепи в n-область входят электроны, а в р-область – дырки, создавая отрицательные Q n и положительные Qр объемные заряды в этих областях.Дырки и электроны не могут мгновенно рекомбинировать. Поэтому каждому значению напряжения Uпр соответствуют величины двух равных разноименных зарядов +Qизб р и  Qn в n-области и Qизб n и +Qр в р-области.

Изменения этих зарядов при изменении прямого напряжения на р-n-переходе, соответствуют диффузионным емкостям  в n-области и  в р-области. Суммарная диффузионная емкость равна: