Què és la Capacitància de Difusió?
Definició de la capacitància de difusió
La capacitància de difusió és un tipus d'efecte de capacitància diferencial en una junta p-n quan aquesta està polaritzada positivament. Aquest efecte es produeix degut al procés de difusió de diferents tipus de materials en dispositius semiconductors com les juntes PN o els MOSFET, és a dir, uns quants portadors de càrrega en la regió dopada difonen cap a la regió no dopada per formar una regió de càrrega espacial i finalment apareixen com un efecte de capacitància.
Principi bàsic
Quan la junta PN està polaritzada en avant, els portadors de càrrega (electrons i forats) difoniran respectivament des de les regions P i N una cap a l'altra. En el procés de difusió, la regió P acumula una certa quantitat de Jane no equilibrada (electrons), mentre que la regió N acumula una certa quantitat de Jane no equilibrada (forats). Aquests portadors de càrrega minoritaris acumulats formen un cert depòsit de càrrega, com si fos un condensador, amb la capacitat de guardar càrrega. La mida de la capacitància de difusió està relacionada amb el voltatge de polarització en avant, la temperatura i les propietats dels materials semiconductors. Quan el voltatge de polarització en avant és més gran, la capacitància de difusió també ho és.
Formació de la capacitància de difusió
Quan s'aplica un voltatge AC a una junta semiconductor, la concentració de la minoria varia amb el voltatge. Aquests portadors de càrrega minoritaris es mouen aleatòriament en el semiconductor i s'acumulen a prop de la junta. Aquesta acumulació és equivalent a un efecte de capacitància, conegut com a capacitància de difusió.
L'expressió de la capacitància de difusió es pot escriure generalment com:
CD és la capacitància de difusió.
Qn és la càrrega minoritària.
V és el voltatge aplicat.
Capacitància de difusió en un diode
En els diodes, els condensadors de difusió apareixen principalment en l'estat de polarització en avant. Quan el diode està polaritzat en avant, els portadors de càrrega minoritaris (com els forats en semiconductors de tipus N) s'injecten a la regió P, provocant un canvi en la concentració de la minoria. El canvi de concentració de Jane forma un efecte de capacitància, conegut com a capacitància de difusió.
Capacitància de difusió en un transistor
En els transistors (com BJT, MOSFETs, etc.), la capacitància de difusió també existeix entre la base i l'emissor. Quan el transistor treballa en condicions d'alta freqüència o alta velocitat, l'efecte de la capacitància de difusió és més aparent, ja que afecta el guany del transistor i la resposta de freqüència.
Efecte de la capacitància de difusió
L'influència de la capacitància de difusió en els dispositius semiconductors es reflecteix principalment en els següents aspectes:
Rendiment en alta freqüència: En aplicacions d'alta freqüència, els condensadors de difusió limiten l'amplada de banda del dispositiu i afecten el seu rendiment en alta freqüència.
Velocitat de commutació: En aplicacions de commutació, la capacitància de difusió pot afectar la velocitat de commutació dels dispositius, augmentant la pèrdua de commutació.
Distorsió de senyal: En els amplificadors, els condensadors de difusió poden introduir un retard de fase addicional, resultant en distorsió de senyal.
Fórmula de càlcul
El càlcul de la capacitància de difusió es basa generalment en models de física de semiconductors. Per a un diode, la capacitància de difusió es pot aproximar com:
Q és la càrrega elèctrica.
NA és la concentració de dopatge.
μn és la mobilitat electrònica.
ϵr és la constant dielèctrica relativa.
ϵ0 és la constant dielèctrica del buit.
VT és el voltatge tèrmic, n = kT/q, k és la constant de Boltzmann, T és la temperatura absoluta.
Vbi és el potencial inherent.
Aplicacions
Circuits d'alta freqüència: En circuits de radiofreqüència (RF) i microones, l'efecte de la capacitància de difusió no pot ser ignorat.
Circuits digitals d'alta velocitat: En circuits digitals d'alta velocitat, la capacitància de difusió pot afectar el temps de creixement i de caiguda del senyal.
Gestió de la potència: En un circuit de gestió de la potència, la capacitància de difusió afecta l'eficiència de la font d'alimentació de commutació.
