какая емкость отражает перераспределение зарядов вблизи р n перехода

Ёмкости p-n перехода

Ёмкость состоит из барьерной и диффузионной ёмкостей. Барьерная ёмкость определяется нескомпенсированными зарядами ионов вблизи и изменяется при изменении его толщины под воздействием запирающего напряжения. Идеальный при анализе можно представить в виде плоского конденсатора, емкость которого вычисляется при помощи следующей формулы:

Мы уже определяли ранее, что толщина зависит от поданного на него обратного напряжения, соответственно меняется и его ёмкость. Зависимость барьерной емкости от приложенного к обратного напряжения описывается формулой:

Рисунок 1. Зависимость барьерной ёмкости от напряжения

Зависимость барьерной ёмкости от напряжения широко используется в радиоэлектронной технике. Изготавливаются специальные электронные приборы: варикапы и варакторы, основным свойством которых является изменение ёмкости от напряжения. Это свойство используется в генераторах, управляемых напряжением и частотных модуляторах.

В других электронных приборах, таких как биполярные и полевые транзисторы, барьерная ёмкость является фактором, ограничивающим частотный диапазон прибора, и её стараются уменьшать. Барьерная емкость увеличивается при увеличении концентрации неосновных носителей заряда N_А и N_Д, и уменьшается при уменьшении концентрации.

Теперь определим значение диффузионной ёмкости. Любую ёмкость можно найти из выражения:

Зависимость величины диффузионной ёмкости от прямого напряжения на показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость диффузионной ёмкости от напряжения

Полная емкость определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей:

При прямом включении преобладает диффузионная емкость, а при обратном — барьерная.

Следует заметить, что диффузионная ёмкость имеет большое значение в формировании частотных характеристик таких электронных приборов, как биполярные транзисторы. В высокочастотных схемах приходится эти ёмкости включать в состав согласующих цепей, которые часто используются на входе и выходе усилительных каскадов.

Дата последнего обновления файла 14.06.2020

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей “Ёмкости p-n перехода” читают:

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре “Сигнал”, Научно производственной фирме “Булат”. В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи “Сигнал-201”, авиационной системы передачи данных “Орлан-СТД”, отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

Источник

Особенности реальных р–n переходов

В идеальном р–n переходе обратный ток уже при сравнительно небольшом обратном напряжении не зависит от значения последнего. Однако при исследованиях реальных р–n переходов наблюдается достаточно сильное увеличение обратного тока при увеличении приложенного напряжения. Причем в кремниевых структурах обратный ток на 2 – 3 порядка выше теплового. Такое отличие экспериментальных данных от теоретических объясняется термогенерацией носителей заряда непосредственно в области р–n перехода и существованием канальных токов и токов утечки.

Канальные токи обусловлены наличием поверхностных энергетических состояний, искривляющих энергетические зоны вблизи поверхности и приводящих к появлению инверсных слоев. Эти слои называются каналами, а токи, протекающие через переход между инверсным слоем и соседней областью, – канальными токами.

Емкости р–n перехода. Наряду с электропроводностью р–n переход имеет определенную емкость. Емкостные свойства обусловлены наличием по обе стороны от границы электрических зарядов, которые созданы ионами примесей, а также подвижными носителями заряда, находящимися вблизи границы р–n перехода.

Емкость р–n перехода подразделяют на две составляющие: барьерную, отражающую перераспределение зарядов в р–n переходе и диффузионную, отражающую перераспределение зарядов вблизи р–n перехода. При прямом смещении перехода в основном проявляется диффузионная емкость, при обратном (режим экстракции) заряды вблизи р–n перехода (в базе) меняются мало и основную роль играет барьерная емкость.

Так как внешнее напряжение влияет на на ширину р–n перехода, значение пространственного заряда и концентрацию инжектированных носителей заряда, то емкость р–n перехода зависит от приложенного напряжения и его полярности.

Барьерная емкость С_бар обусловлена наличием в р–n переходе ионов донорной и акцепторной примесей, которые образуют как бы две заряженные обкладки конденсатора. При изменении запирающего напряжения, например увеличении, ширина р–n перехода увеличивается и часть подвижных носителей заряда ( электронов в области n и дырок в области р) отсасывается электрическим полем от слоев, прилегающих к переходу. Перемещение этих носителей заряда вызывает в цепи ток

, (2.11)

где – изменение заряда обедненного слоя р–n перехода. Этот ток становится равным нулю по окончании переходного процесса изменения границ р–n перехода. Величину С_бар для резкого перехода можно определить из приближенного выражения

, (2.12)

где S, l₀ – площадь и толщина p – n перехода при U =0.

С увеличением приложенного обратного напряжения U, барьерная емкость уменьшается из–за увеличения толщины перехода l (рис. 2.10). Зависимость называется вольт-фарадной характеристикой.

Рис.2.10. Вольт-фарадные характеристики р–n перехода 1 – плавный переход, 2 – резкий переход

При подключении к р–n переходу прямого напряжения барьерная емкость увеличивается вследствие уменьшения l. Однако в этом случае приращение зарядов за счет инжекции играет большую роль и емкость р–n перехода определяется в основном диффузионной составляющей емкости.

Диффузионная емкость отражает физический процесс изменения концентрации подвижных носителей заряда, накопленных в областях, вследствие изменения концентрации инжектированных носителей.

Наличие диффузионной емкости влияет на переходный процесс при изменении напряжения на р–n переходе.

Переход р–n ведет себя подобно конденсатору, причем заряд диффузионной емкости пропорционален прямому току, протекавшему ранее через р–n переход.

Пробой р–n перехода. Под пробоем р–n перехода понимают значительное уменьшение обратного сопротивления, сопровождающееся возрастанием обратного тока при увеличении приложенного напряжения. Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.

Рис.2.11. Изменение тока через р–n переход при изменении полярности приложенного напряжения.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. «просачивание» электронов сквозь потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда. Иными словами туннельный пробой наступает тогда, когда напряженность электрического поля возрастает настолько, что становится возможным туннельный переход электронов из валентной зоны полупроводника с электропроводностью одного типа в зону проводимости полупроводника с электропроводностью другого типа (рис. 2.12, а). Туннельный

Рис. 2.12. Энергетическая зонная диаграмма, поясняющая туннельный переход электрона (а), вольтамперная характеристика p-n перехода (б)

пробой чаще всего возникает у полупроводниковых приборов, имеющих узкий переход и малое значение удельного сопротивления, причем напряженность электрического поля должна быть достаточно высокой (более 10 5 В/см). При такой напряженности энергетические зоны искривляются настолько, что энергия электронов валентной зоны полупроводника р–типа становится такой же, как и энергия свободных электронов зоны проводимости полупроводника n–типа. В –возникает туннельный ток. Начало туннельного пробоя оценивается по десятикратному превышению туннельного тока над обратным. При увеличении температуры напряжение, при котором возникает туннельный пробой, уменьшается. Вольтамперная характеристика туннельного пробоя соответствует кривой 2 на рис 2.12, б.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, которая происходит тогда, когда напряженность электрического поля, вызванная обратным напряжением, достаточно велика. Неосновные носители заряда, движущиеся через р–n переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами в зоне р–n перехода ионизируют их. В результате появляется пара электрон – дырка. Вновь появившиеся носители заряда ускоряются электрическим полем и в свою очередь могут могут вызвать ионизацию следующего атома и т.д. Если процесс ударной ионизации идет лавинообразно, то по тому же закону увеличивается количество носителей заряда и обратный ток. При лавинной ионизации ток в цепи ограничен только внешним сопротивлением. Для количественной характеристики этого процесса используется коэффициент лавинного умножения М_л, который показывает, во сколько раз ток, протекающий через р–n переход, больше обратного тока: I=M_лI_обр.

Коэффициент можно определить из эмпирического выражения

(2.13)

где U_{проб. лав} – напряжение, при котором возникает лавинный пробой и ; n=3 для р=Si и n=Ge, n=5 для р=Ge и n=Si.

Лавинообразный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих достаточно большую ширину р–n перехода. Напряжение лавинного пробоя зависит от температуры полупроводника и растет с ее увеличением из–за сокращения длины свободного пробега носителей заряда. При лавинном пробое падение напряжения на р–n переходе остается постоянным (кривая 1 на рис. 2.12, б).

Тепловой пробой возникает в результате разогрева р–n перехода, когда количество теплоты, выделяемой током в р–n переходе, больше, количества теплоты, отводимой от него. При разогреве р–n перехода происходит интенсивная генерация электронно – дырочных пар и увеличение обратного тока через р–n переход. Это в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению температуры и обратного тока. В итоге ток через р–n переход лавинообразно увеличивается и наступают тепловой пробой ((кривая 3 на рис. 2.12, б).

Следует заметить, что один вид пробоя может наступить как следствие другого вида пробоя.

Источник

ОСОБЕННОСТИ РЕАЛЬНЫХ p-n- ПЕРЕХОДОВ

Емкостные свойства p-n- перехода.Емкостные свойства обусловлены наличием по обе стороны от границы электрических зарядов, которые созданы ионами примесей, а также подвижными носителями заряда, находящимися вблизи границы p-n-перехода.

Емкость p-n-перехода подразделяют на две составляющие: барьерную, отражающую перераспределение зарядов в p-n-переходе, и диффузионную, отражающую перераспределение зарядов вблизи p-n-перехода. При прямом смещении перехода в основном проявляется диффузионная емкость, при обратном(режим экстракции) заряды вблизи p-n-перехода (в базе) меняются мало и основную роль играет барьерная емкость.

Барьерная емкость обусловлена наличием в p-n-переходе ионов донорной и акцепторной примесей, которые образуют как бы две заряженный обкладки конденсатора. При изменении запирающего напряжения, например увеличении, ширина p-n-перехода увеличивается и часть подвижных носителей заряда отсасывается электрическим полем от слоев, прилегающих к переходу. Перемещение этих носителей заряда вызывает в цепи ток:

,

где – изменение заряда обедненного слоя p-n-перехода.

Этот ток становится равным нулю по окончании переходного процесса изменения границ p-n-перехода.

Величину для резкого перехода можно определить из приближенного выражения:

,

Где S, – площадь и толщина p-n-перехода при U=0; – контактная разность потенциалов.

При подключении к p-n-переходу прямого напряжения барьерная емкость увеличивается вследствие уменьшения l. Однако в этом случае приращение зарядов за счет инжекции играет большую роль и емкость p-n-перехода определяется в основном диффузионной составляющей емкости.

Диффузионная емкость отражает физический процесс изменения концентрации подвижных носителей заряда, накопленных в областях, вследствие изменения концентрации инжектированных носителей.

Влияние диффузионной емкости можно пояснить следующим примером.

Рис.3. Воль-фарадные характеристики p-n-перехода (а) и изменение тока приизменении полярности напряжения (б): 1-плавный переход; 2-резкий переход.

Источник

2.6. Емкостные свойства р-n-перехода

P—n—переход обладает емкостными свойствами, т.е. способностью накапливать и соответственно отдавать заряд носителей при увеличении или уменьшении приложенного напряжения. Накопление заряда происходит в самом переходе и вблизи него (в базовой области), в соответствии с этим различают две составляющие емкости перехода ( ): барьерную ( ) и диффузионную ( ).

Емкость p—n-перехода равна сумме барьерной и диффузионной емкостей:

Барьерная (или зарядная) емкость характеризуется сосредоточением по обе стороны границы раздела р- и n-слоев объем­ных зарядов, создаваемых ионами примесей. Физическим аналогом барьерной емкости приближенно может служить емкость плоского конденсатора.

Значение барьерной емкости может быть рассчитано по формуле для плоского конденсатора:

где S – площадь металлургического контакта, l – толщина перехода.

Наличие барьерной (зарядной) емкости проявляется протеканием тока через p—n-переход вследствие изменения объемных зарядов (а следовательно, ширины p—n-перехода) при изменении напряжения на переходе и определяется из соотношения:

Зарядная емкость возрастает с уменьшением толщины p—n-перехода, т.е. при снижении обратного напряжения. Она выше при прямых напряжениях, чем при обратных. Величина барьерной емкости зависит от площади p—n-перехода и мо­жет составлять десятки и сотни пикофарад. Зависимость барьерной емкости p—n-перехода от обратного напряжения используется в варикапах (параметрических диодах), применяемых в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряжением.

Барьерная емкость (рис. 2.11) зависит от обратного напряжения. Эта зависимость называется – вольт-фарадной характеристикой p—n-перехода. Она нелинейная, поскольку обратно пропорциональна ширине перехода (см. формулу (2.7)), а ширина перехода пропорциональна квадратному корню из напряжения на переходе (см. формулу (2.5)).

В отличие от барьерной емкости, зависящей от ширины области объемного заряда p—n-перехода, диффузионная емкость зависит от изменения суммарных зарядов неравновесных элек­тронов и дырок соответственно слева и справа от p—n-перехода в ре­зультате изменения напряжения на нем (см. рис. 2.4, в). Так как эти заряды создаются за счет диффузии (инжекции) носителей через p—n-переход, диффузионную емкость следует учитывать при прямом напряжении смещения. В несимметричных p—n-переходах, для кото­рых p_p > n_n диффузионная емкость определяется преимущест

венно суммарным зарядом неравновесных дырок в n-слое, величина кото­рого изменяется при изменении прямого напряжения.

Значение диффузионной емкости зависит от протекающего через р-п-переход прямого тока и может составлять сотни и тысячи пикофарад, т.е. она существенно больше барьерной емкости. Таким образом, при прямых напряжениях смещения емкость p—n-перехода опреде­ляется в основном диффузионной емкостью, а при обратных напряжениях, когда диффузионная емкость равна нулю, – барьерной емкостью.

Источник

Особенности ВАХ реальных р-n-переходов

· туннельный электрический

Сравнение ВАХ реальных Ge и Si переходов

Мкости p-n перехода

При работе p-n перехода на переменном токе и в импульсных цепях, характеризующихся скачкообразными изменениями напряжений и токов, проявляются инерционные свойства перехода, напоминающие поведение электрической ёмкости.

Наряду с нелинейной электропроводностью переход обладает нелинейными ёмкостными свойствами. Они обусловлены наличием по обе стороны от границы электрических зарядов ионов примесей, а также подвижными носителями заряда, находящимися вблизи границы p-n перехода.

Две составляющие ёмкости:

· барьерная, отражающая перераспределение зарядов в p-n переходе;

· диффузионная, отражающая перераспределение зарядов вблизи p-n перехода.

Барьерная ёмкость С_бар проявляется в результате изменения заряда ионов донорной и акцепторной примесей, которые образуют как бы две обкладки “конденсатора“, при изменении напряжения на переходе :

При изменении U изменяется ширина и объём перехода, а значит, и заряды ионов в обеих частях перехода:

С увеличением обратного напряжения С_бар уменьшается из-за увеличения толщины перехода. Вольт–фарадная характеристика:

Диффузионная ёмкость С_диф отражает физический процесс изменения концентрации подвижных носителей заряда, накопленных в областях p и n вследствие инжекции носителей. При протекании прямого тока в базе накоплен избыточный заряд неосновных носителей, пропорциональный этому току. При изменении напряжения на переходе меняется и этот заряд:

Диффузионная ёмкость пропорциональна прямому току:

Источник