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.