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:

,                                                      (2.7)

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 pp > nn 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.