Какво е дифузионна капацитет?

Определение на дифузионна капацитетност

Дифузионната капацитетност е вид диференциална капацитетност на p-n-препратката, когато тя е положително заредена. Тя се причинява от процеса на дифузия на различни видове материали в полупроводникови устройства, като PN-препратка или MOSFET, тоест няколко носителя в допираната зона се дифундират към недопираната зона, за да формират пространствена зарядна зона, и в крайна сметка се явяват като капацитетен ефект.

Основен принцип

Когато PN-препратката е предварително заредена, носителите (електрони и дупки) ще се дифундират от P и N области към другата страна, съответно. В процеса на дифузията, областта P натрупва определено количество несбалансирано Джейн (електрон), а областта N натрупва определено количество несбалансирано Джейн (дупка). Тези натрупани несбалансирани малцинствени частици формират определен заряден резервоар, подобен на кондензатор, с възможността да съхранява заряд. Размерът на дифузионната капацитетност е свързан с напрежението на предварителното зареждане, температурата и свойствата на полупроводниковите материали. Колкото по-голямо е напрежението на предварителното зареждане, толкова по-голяма е дифузионната капацитетност.

Формиране на дифузионната капацитетност

Когато се приложи променливо напрежение към полупроводникова препратка, концентрацията на малцинството варира с напрежението. Тези малцинствени частици се движеят случайно в полупроводника и се натрупват близо до полупроводниковата препратка. Този натрупан заряд е еквивалентен на капацитетен ефект, наричан дифузионна капацитетност.

Изразът за дифузионната капацитетност обикновено може да се запише като:

• CD е дифузионната капацитетност.

• Qn е зарядът на малцинството.

• V е приложеното напрежение.

Дифузионна капацитетност в диод

В диодите дифузионните кондензатори се появяват главно в състояние на предварително зареждане. Когато диодът е предварително зареден, малцинствените частици (например дупки в N-полупроводник) се инжектират в P-областта, което води до промяна в концентрацията на малцинството. Промяната в концентрацията на Джейн формира капацитетен ефект, наричан дифузионна капацитетност.

Дифузионна капацитетност в транзистор

В транзисторите (като BJT, MOSFETs, и т.н.) дифузионната капацитетност съществува и между базата и емитера. Когато транзисторът работи при високи честоти или висока скорост, влиянието на дифузионната капацитетност става по-очевидно, тъй като тя влияе на усиленията на транзистора и честотната му характеристика.

Ефект от дифузионната капацитетност

Влиянието на дифузионната капацитетност в полупроводниковите устройства се отразява главно в следните аспекти:

• Високочестотни характеристики: В приложенията на високи честоти, дифузионните кондензатори ограничават честотния диапазон на устройството и влияят на неговите високочестотни характеристики.

• Скорост на комутация: в приложенията на комутация, дифузионната капацитетност може да повлияе на скоростта на комутационните устройства и да увеличи загубите при комутация.

• Дисторция на сигнала: В усилители, дифузионните кондензатори могат да въведат допълнителна фазова забавяне, което води до дисторция на сигнала.

Формула за изчисление

Изчисляването на дифузионната капацитетност обикновено се основава на модели в полупроводниковата физика. За диод, дифузионната капацитетност може да бъде приблизително изразена като:

• Q е електронен заряд.

• NA е концентрацията на допиране.

• μn е подвижността на електроните.

• ϵr е относителната диелектрична константа.

• ϵ0 е диелектричната константа на вакуума.

• VT е термично напрежение, n = kT/q, k е болтзмановата константа, T е абсолютната температура.

• Vbi е вграденото потенциално напрежение.

Приложение

• Високочестотни вериги: В радиочестотни (RF) и микровълнови вериги, ефектът от дифузионната капацитетност не може да бъде игнориран.

• Високоскоростни цифрови вериги: в високоскоростни цифрови вериги, дифузионната капацитетност може да повлияе на времето за нарастване и спадане на сигнала.

• Управление на мощността: В управлението на мощността, дифузионната капацитетност влияе на ефективността на комутационните преобразуватели на мощност.