Емкость

Ранее говорилось о том, что п – р-переход при обратном напряжении u_о6р аналогичен конденсатору со значительным 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 примеси. Поэтому п – р-переход обладает емкостью, подобной конденсатору с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью. При постоянном напряжении она определяется отношением:

С_б = Q_обр / u_о6р, (21)

а при переменном напряжении

С_б = ΔQ_обр /Δ u_о6р. (22)

Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади п – р-перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Несмотря на то, что у диодов небольшой мощности площадь перехода мала, емкость С_б весьма заметна за счет малой толщины запирающего слоя и сравнительно большой относительной диэлектрической проницаемости (например, у германия ε = 16). В зависимости от площади перехода значение С_б может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенность барьерной емкости состоит в том, что она нелинейна, т. е. изменяется при изме­нении напряжения на переходе. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличивается и емкость С_б уменьшается. Характер этой зависимости показывает график на рис. 14. Как видно, под влиянием напряжения u_о6р емкость С_б изменяется в несколько раз.

Рис. 14. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения

Барьерная емкость отрицательно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Однако барьерная емкость бывает и полезной. Специальные диоды (варикапы и варакторы)используют как конденсаторы переменной емкости для настройки колебательных контуров, а также в некоторых схемах, работа которых основана на свойствах нелинейной емкости. В отличие от обычных конденсаторов переменной емкости, в которых емкость изменяют механическим путем, в варикапах это изменение достигается регулировкой обратного напряжения. Такую настройку колебательных контуров называют электронной настройкой.

При прямом напряжении диод, кроме барьерной емкости, обладает так называемой диффузионной емкостью C_диф, которая также нелинейна и возрастает при увеличении u _пр. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в п - и р-областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют (инжектируют) через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в п - и р-областях. Так, например, если в некотором диоде р-область является эмиттером, а п-область – базой, то при подаче прямого напряжения из р-области в n-область через переход устремляется большое число дыроки, следовательно, в n-области появляется положительный заряд. Одновременно под действием источника прямого напряжения из провода внешней цепи в n-область входят электроны и в этой области возникает отрицательный заряд. Дырки и электроны в n-области не могут мгновенно рекомбинировать. Поэтому каждому значению прямого напряжения соответствует определенное значение двух равных разноименных зарядов + Q_диф и – Q_диф, накопленных в n-области за счет диффузии носителей через переход. Емкость C_диф, как обычно, представляет собой отношение заряда к разности потенциалов: при постоянном напряжении:

C_диф = Q_диф / u_пр, (23)

при переменном напряжении:

C_диф = ΔQ_диф /Δ u_пр. (24)

С увеличением u_пр прямой ток растет быстрее, чем напряжение, так как вольтамперная характеристика для прямого тока нелинейна; поэтому Q_дифрастет быстрее, чем u_пр, и C_диф увеличивается.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его эквивалентную схему для переменного тока (рис. 15а). Сопротивление R₀в этой схеме представляет собой суммарное, сравнительно небольшое сопротивление п- и р-областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление R_нл при прямом напряже­нии равно R_пр, т. е. невелико, а при обратном напряжении R_нл = R_обр, т. е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и можно емкость не учитывать. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R₀и R_пр (рис. 15б), а при обратном напряжении – только сопротивление R_обр,так как R₀ << R_обр (рис. 15в).

Рис. 15. Полная и упрощенные эквивалентные схемы полупроводникового диода

На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис. 15г (если частота не очень высокая, то C_диф практически не влияет), а при обратном остаются R_обр и С_б (рис. 15д).

Следует иметь в виду, что существует еще емкость С_в между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. Она показана на рисунке штрихами.