Chương 3 Chuyển tiếp N
3.3. Điện dung của chuyển tiếp PN
Qua phân tích chuyển tiếp PN ở trạng thái cân bằng và phân cực ta thấy rằng điện áp trên hai cực chuyển tiếp PN cũng biến đổi phụ thuộc sự biến đổi của các điện tích âm và dương trong miền điện tích không gian hay vùng nghèo. Hiện tượng này giống như ở tụ điện phẳng. Số lượng điện tích trong vùng nghèo tăng lên thì điện áp rơi trên hai bờ vùng nghèo cũng tăng lên, ngược lại thì điện áp trên hai bờ vùng nghèo cũng giảm đi. Sự tăng giảm điện tích trong vùng nghèo do sự thay đổi điện áp phân cực ngược. Khi phân cực ngược chuyển tiếp PN có hiệu ứng điện dung, ta gọi là điện dung rào thế Cpn. Có thể tính điện dung khi chuyển tiếp PN phân cực ngược Cpn như sau:
In Un ISO UBR Đánh thủng chuyển tiếp PN
59
Trong đó Q là điện lượng; U là điện áp rơi trên chuyển tiếp PN.
Nếu chuyển tiếp PN có phân bố nồng độ đột biến một phía có thể viết: Q = qN0XmA
Trong đó A là thiết diện của chuyển tiếp PN; N0 là nồng độ tạp chất một phía của bán dẫn.
Nếu có điện áp đặt vào ta có độ rộng vùng nghèo tính bằng:
Từ đó ta tính được:
(3-10)
Hoặc:
(3-11)
Người ta thường sử dụng tính chất điện dung của chuyển tiếp PN thay đổi khi điện áp ngược thay đổi để chế tạo ra diode biến dung. Tuy nhiên trong hầu hết các trường hợp điện dung rào thế Cpn lại không có lợi, nó làm hạn chế tần số hoạt động của linh kiện bán dẫn.
Ta vẫn giả thiết rằng PN có sự phân bố tạp chất đột biến một phía. Khi bán dẫn pha tạp với sự phân bố khác thì điện dung này cũng thay đổi. Nếu phân cực nhỏ và đặc biệt khi phân cực thuận thì điện dung này được tính bởi:
60
Như vậy khi phân cực thuận điện dung rào thế bằng bốn lần điện dung rào thế cân bằng.
Khi chuyển tiếp PN được phân cực thuận ngoài sự tồn tại của điện dung rào thế vừa nêu còn tồn tại điện dung khuếch tán. Khi chuyển tiếp PN phân cực thuận sẽ có dòng thuận lớn. Nếu thay đổi cực tính của nguồn tức làm cho chuyển tiếp PN phân cực ngược làm cho dòng thuận ngừng chảy. Tại thời điểm đó các hạt dẫn do dòng thuận mang đến chuyển tiếp PN chưa thể đi khỏi vùng này và do đó tạo ra sự tích tụ điện tích. Các điện tích này phóng ngược lại với chiều dòng thuận mang chúng đến. Thời gian phóng chính bằng thời gian thiết lập trạng thái cân bằng ban đầu trước khi chuyển sang trạng thái phân cực ngược. Như vậy ban đầu dòng ngược có giá trị gần bằng dòng thuận rồi giảm xuống giá trị bão hòa ngược ISO. Hiện tượng tích phóng điện này giống như một tụ điện, ta gọi điện dung tương ứng này là điện dung khuếch tán Ckt. Dòng thuận càng lớn thì điện dung này càng lớn. Thông thường Cpn chỉ cỡ 40pF nhưng Ckt cỡ 0,02uF.