Capacitancia de difusión en un diodo de polarización directa

El transporte de carga (corriente) a través de un pn-juntion con polarización directa es marcadamente diferente en comparación con el transporte de carga a través de un conductor. Una diferencia importante es que la corriente a través de una unión pn se debe a dos tipos diferentes de partículas cargadas, una positiva (agujeros) y la otra negativa (electrones). Esto se opone a la corriente a través de un conductor, que se debe (típicamente) al flujo de electrones solamente. La otra gran diferencia es el mecanismo por el cual fluye la corriente. En una unión pn inclinada hacia adelante, la corriente se debe principalmente a la difusión de ambos agujeros y electrones a través de los materiales de tipo n y p, respectivamente. Esto contrasta con un conductor en el que la corriente se debe a un campo eléctrico que hace que aparezca una diferencia de potencial en los extremos del conductor.

Me gusta pensar en un cruce pn sesgado hacia adelante como un ejército que asalta una ciudad. Cuando las puertas de la ciudad se derrumban (se aplica un voltaje hacia adelante), las defensas bajan y las tropas (agujeros o electrones) entran por asalto. Sin embargo, los agujeros (o electrones) están en territorio extranjero y en cualquier momento pueden Ser eliminado por el enemigo (recombinación). En las puertas de la ciudad (justo en la barrera de la unión pn), puede esperar encontrar una gran concentración de tropas. Sin embargo, cuanto más se adentra en la ciudad, menos tropas se encuentran porque solo unos pocos logran recorrer una distancia significativa antes de ser eliminados. Todo esto para decir que existe un gradiente de concentración de partículas cargadas a medida que se mueve desde la barrera de la unión pn hasta el final del material semiconductor. Este gradiente de concentración obliga a una corriente a fluir que NO es el resultado de un campo eléctrico, sino el resultado de un recorrido térmico aleatorio de partículas similares que no es exclusivo de los agujeros y electrones en un semiconductor (corriente de difusión).

Es muy importante tener en cuenta que el gradiente de concentración es causado por partículas reales cargadas físicamente que existen dentro del material semiconductor. El gradiente de concentración está determinado por el voltaje aplicado, de modo que un voltaje particular se asigna únicamente a un gradiente de concentración. La cantidad física de carga almacenada está asociada con el gradiente de concentración por integración. Cuando se aplica una mayor tensión de polarización directa, una mayor concentración de partículas cargadas se vierte a través de la barrera. Se debe establecer un nuevo gradiente de concentración, lo que sugiere que se debe almacenar una mayor cantidad de carga en el material. El punto aquí es que al cambiar el voltaje aplicado cambia el gradiente de concentración y, por lo tanto, la cantidad de carga física que se almacena en el material semiconductor. Observe que un voltaje está asociado con una carga almacenada. Esta es exactamente la definición de un capacitor con el factor de asociación que es la capacitancia, C = Q / V.

Tenga en cuenta que la carga no se está "almacenando" en el material semiconductor. Se está eliminando de forma continua y simultánea por recombinación y reemplazando por difusión de carga a través de la unión desde el otro lado. Por lo tanto, para todos los efectos, parece que hay un exceso de carga constante en el material semiconductor, que es la fuente de la capacitancia de difusión.

Como usted sabe, cuando una corriente fluye a través de un diodo polarizado hacia adelante, hay una caída de voltaje, generalmente en el rango de 0,3-0,8 V, según el tipo de diodo y el nivel actual. (Para los LED, la caída de voltaje es del orden de 1-2v).

Esta caída de voltaje implica la presencia de algún tipo de barrera en el diodo: la corriente directa no fluiría si el voltaje aplicado al diodo está por debajo de ese nivel de barrera.

Pero para que el voltaje se acumule a través de la barrera, la concentración de electrones debe aumentar en un lado de la barrera y disminuir en el otro. Entonces, antes de que la corriente pueda fluir a través del diodo de polarización directa, el diodo actúa como un condensador que se está cargando a un cierto voltaje. La capacitancia efectiva de un diodo es aproximadamente proporcional al área de su unión y, naturalmente, será más grande para diodos más potentes.

Una vez que el voltaje en ese condensador alcance un cierto nivel, la corriente comenzará a fluir, pero las cargas acumuladas en los dos lados de la unión / barrera permanecerán allí para mantener el voltaje directo requerido o, podemos decir, que Las cargas se almacenarán en el condensador de unión.

Naturalmente, la carga de ese condensador antes de que la corriente pueda comenzar a fluir toma algún tiempo. Es por eso que los diodos grandes tienden a ser lentos.