Kapacita přechodu PN

Kapacita přechodu je složena ze dvou částí:

• 1. bariérové kapacity - C_j (junction capacitance, transition region capacitance, depletion layer capacitance) - je způsobena vrstvou prostorového náboje v depletiční vrstvě,
• 2. difúzní kapacity - tvořené změnou nashromážděného náboje, vlivem procházejícího proudu.

S oběma těmito kapacitami musíme počítat při návrhu polovodičových součástek, pokud budeme používat časově proměnný signál. Někdy je kapacitu nutno brát jako parazitní jev,  jindy ji naopak využíváme.

Bariérová kapacita

Vyprázdněná, nebo-li depletiční vrstva má tloušťku w. Tato oblast je bez prostorového náboje, tloušťka této oblasti w je závislá na přiloženém napětí U. Přechod PN se svou depletiční vrstvou se chová jako deskový kondenzátor s plochou A rovnou ploše přechodu PN, s relativní permeabilitou určenou polovodičem (v našem případě e_r=12) a s šířkou dielektrika rovné šířce depletiční oblasti w.

Pro strmý přechod je šířka depletiční oblasti rovna:

.   (1)

Dá se tedy napsat závislost mezi šířkou vyprázdněné oblasti a přiloženým napětím:

.   (2)

Pro kapacitu deskového kondenzátoru platí obecný vztah:

.   (3)

Jestliže do tohoto vztahu dosadíme za plochu desek kondenzátoru S plochu přechodu A a za šířku kondenzátoru d, šířku depletiční oblasti w, dostaneme:

.   (4)

Jestliže do tohoto vztahu dosadíme ze vztahu (2), dostaneme:

.    (5)

Po dalších úpravách dostaneme známý vztah:

.      (6)

Ze vztahu pro kapacitu přechodu PN vyplývá, že závislost bariérové kapacity na napětí je nelineární, tvar této charakteristiky je určen koncentračním profilem. Na obrázku jsou dva průběhy pro strmý koncentrační profil (n = 2) a pro lineární koncentrační profil (n = 3). Posuzuje se i poměr C_max a C_min pro napětí U_min = -3 V a U_max = -30 V.

T [K] NA [m-3] ND [m-3] 0 1022 1022 300 1023 1023 360

Důležité body na charakteristice jsou:

• Pro U = U_D je kapacita teoreticky nekonečně velká. Ve skutečnosti k tomuto bodu nikdy nedospějeme. Protože napětí na přechodu PN nikdy nedosáhne difúzního napětí U_D.

• Pro U = 0 V je bariérová kapacita rovna C = C₀.

Z výše uvedených vztahů plyne, že bariérová kapacita je závislá na :

• ploše přechodu A,

• koncentracích N_A a N_D,

• velikosti přiloženého napětí ~ U^-1/2.

 Difúzní kapacita

Vzniká, je-li na přechod přiloženo stejnosměrné napětí v propustném směru, na kterém je superponována střídavá složka. Nosiče vykazují jistou dobu života a tím i setrvačné vlastnosti. Je závislá na době života nosičů t a velikosti stejnosměrného proudu I.

       (7).

Přechod PN, Teorie přechodu PN, Kapacita přechodu PN, Voltampérová charakteristika přechodu PN, Použité konstanty a hodnoty