Эффект смыкания - в полупроводнике исчезновение области проводимости n-типа, находящейся между областями с проводимостью p-типа, вызванное ростом ширины p-n перехода до размеров, сопоставимых с размером области проводимости n-типа. Возможен также эффект исчезновения области p-проводимости, зажатой между областями n-проводимости.

В полупроводниках p-n переход - переход от области p-проводимости к области n-проводимости - всегда обладает некоторой конечной шириной h (Рис. 1). В пределах промежуточного слоя толщиной h значительна концентрация обеих зарядов - как положительных (p-типа), так и отрицательных (n-типа). Это свойство перехода связано с тем, что концентрация зарядов в полупроводнике конечна, и чтобы собрать в промежуточном слое заряд, экранирующий внешнее поле, необходимо создать заряженную область конечной толщины.

Область промежуточного слоя называют также обедненной областью, поскольку концентрация свободных зарядов здесь меньше, чем в основном объеме полупроводника. В этой области сосредоточено электрическое поле (в основных областях полупроводников оно равно нулю), ширина этой области дает также ширину области, на которой распределен перепад электрического потенциала между областями p- и n-проводимости.

Ширину p-n перехода можно вычислить как:

Здесь n_p - концентрация дырок в основной области p-полупроводника, n_n - концентрация электронов в основной области n-полупроводника, u₀ - высота потенциального барьера p-n перехода, разность потенциалов между полупроводниками в отсутствие приложенного напряжения, U - разность потенциалов между основными областями полупроводников. Как видно, при росте приложенного напряжения растет ширина промежуточного слоя.

Рассмотрим, к чему приводит существование промужуточного слоя на примере МДП-транзистора. Аббревиатура МДП расшифровывается как "Металл-диэлектрик-проводник". Как видно по схеме транзистора на Рис. 2, в этом элементе присутствуют области всех трех типов проводимости. Области проводимости p-типа разделены областью проводимости n-типа.

Допустим, мы повышаем разность потенциалов между эмиттером и коллектором, то есть между областями p-проводимости. Ширина p-n перехода h растет и,  в определенный момент, когда h приблизится к ширине зоны n-полупровдника, разделяющей p-зоны, основная часть n-зоны исчезнет, концентрация p-носителей станет значительной во всей области между эмиттером и коллектором. Произойдет как бы смыкание p-зон.

Одним из следствий смыкания может стать пробой - исчезает барьер между p-зонами с высоким сопротивлением, роль которого выполняет n-зона.

Смыкание - одно из важных явлений, ограничивающее возможности миниатюризации полупроводниковых приборов. Минимальная ширина полупроводниковой зоны должна превышать две ширины p-n перехода, расчитанных для максимального прилагаемого напряжения.

 

Эффект смыкания необходимо учитывать при разработке миниатюрных полупроводниковых устройств - толщина полупроводникового слоя не должна быть меньше, чем две ширины p-n перехода. Смыкание является одной из возможных причин пробоя в полупроводниковых приборах.

В то же время, ряд технологических устройств используют эффект смыкания. Все они так или иначе используют нелинейность, возникающую вследствие эффекта смыкания - есмкость p-n перехода сильно зависит от приложенного напряжения. Среди этих устройств - ограничительный диод (см. Реализацию), исользующий падение емкостного сорпотивления перехода при повышении приложенного напряжения для сброса избыточной мощности высокочастотного сигнала посредством омических потерь в пролупроводнике.

Эффект смыкания используется в варакторах. Варактор — это общее название для полупроводниковых диодов с управляемой ёмкостью. Он используется как элемент цепи с переменным реактивным сопротивлением и находит ряд важных применений. Одно из них — изменение реактивного сопротивления диода под воздействием внешнего напряжения смещения. В этом случае диод используется в качестве переменной ёмкости для электрической перестройки частоты генераторов, усилителей и других резонансных устройств и называется варикапом. Второе — нелинейная ёмкость варакторного диода используется для генерации гармоник управляющего сигнала в умножителях частоты, а диод называется умножительным. В третьем случае на p-n-переход могут быть поданы два СВЧ сигнала разных частот, что приведёт к параметрическому усилению колебаний. Такой диод называется параметрическим.

Ограничительный диод - полупроводниковый диод, предназначенный для ограничения (стабилизации, выравнивания) уровня мощности сверхвычастотного (СВЧ) сигнала. Ограничительный диод применяется в качестве СВЧ ограничителя главным образом в защитных устройствах приемников радиолокационных станций. По сравнению с СВЧ разрядниками и ферритовыми ограничителями устройства на ограничительных диодах обладают меньшими габаритными размерами, более высоким быстродействием, не нуждаются в целях управления и внешних магнитных полях.

Обычно в ограничительных диодах используется р-n-переход с тонкой высокоомной базой, работающий на эффекте смыкания; иногда применяют контакт металл — полупроводник. Работа ограничительного диода основана на изменении его полного сопротивления под действием СВЧ сигнала. При мощности Р на входе защитного устройства, не превышающей 1—10 мВт, сопротивление Z имеет преимущественно ёмкостный характер - здесь тонкий слой полупроводника еще эффективно разделяет соседние зоны сосредоточения заряда. Емкость полупроводниковой структуры обычно составляет 0,1—1 пФ, а последовательное сопротивление потерь при низком уровне СВЧ мощности — 5—15 Ом и не зависит от величины мощности. Если величина мощности превышает 10—100 Вт, то зоны, разделенный базой, смыкаются, заряд на границах базы уже не удерживатся, и емкостное сопротивление падает, полное сопротивление становится омическим. Омическое сопротивление поглощает избыточную мощность.

Сопротивление потерь при высоком уровне мощности обычно 0,5—1,5 Ом и не зависит от величины сигнала. В диапазоне входных мощностей приблизительно от 10 мВт до 10 Вт сопротивление Z плавно изменяется, соответственно меняются и потери пропускания защитного устройства, определяемые как отношение мощности входного сигнала к мощности сигнала на выходе: от 0,5—1 дБ при низком уровне мощности до 15—25 дБ и более при высоком уровне мощности. Пороговая мощность (при которой начинается увеличение потерь пропускания) определяется главным образом толщиной базы W и рабочей частотой. Для волн сантиметрового диапазона W не превышает единиц мкм. Чем выше рабочая частота, тем тоньше должна быть база диода и меньше площадь полупроводникового перехода.

Время восстановления защитных устройств на ограничительных диодах составляет 5—100 нс и уменьшается при уменьшении W и величины электрического заряда, накопленного на безе в режиме высокого уровня мощности. Время установления обычно не превышает единиц нс.