Co je difuzní kapacitance?

Definice difuzní kapacity

Difuzní kapacita je druh diferenciální kapacitního efektu p-n přechodu, když je pozitivně polarizován. Je způsobena difuzním procesem různých typů materiálů v polovodičových zařízeních, jako jsou PN přechody nebo MOSFET, tedy několik nosičů v dopované oblasti se rozptyluje do nedopované oblasti a tvoří prostorovou nábojovou oblast, která nakonec vyjádří kapacitní efekt.

Základní princip

Když je PN přechod napájen vpřed, nosiče (elektrony a díry) se rozptylují od P a N oblastí k sobě navzájem. Během tohoto procesu se v P oblasti akumuluje určité množství nerovnovážných Jane (elektronů), zatímco v N oblasti se akumuluje určité množství nerovnovážných Jane (dír). Tyto akumulované nerovnovážné menšinové částice tvoří určité úložiště náboje, podobné kondenzátoru, s schopností ukládat náboj. Velikost difuzní kapacity je spojena s předním napětím, teplotou a vlastnostmi polovodičových materiálů. Čím větší je přední polarizační napětí, tím větší je difuzní kapacita.

Vznik difuzní kapacity

Když je na polovodičový přechod aplikováno střídavé napětí, koncentrace menšinových částic se mění s napětím. Tyto menšinové částice se náhodně pohybují v polovodiči a akumulují se blízko polovodičového přechodu. Tato akumulace je ekvivalentní kapacitnímu efektu, tedy difuzní kapacitě.

Výraz pro difuzní kapacitu lze obvykle zapsat jako:

• CD je difuzní kapacita.

• Qn je menšinový náboj.

• V je aplikované napětí.

Difuzní kapacita v diodě

V diodách se difuzní kondenzátory hlavně objevují v přední polarizaci. Když je dioda napájena vpřed, menšinové částice (např. díry v N-typu polovodiče) jsou injekovány do P-oblasti, což vedou k změně koncentrace menšin. Změna koncentrace Jane vytvořila kapacitní efekt, tedy difuzní kapacitu.

Difuzní kapacita v tranzistoru

V tranzistorech (jako BJT, MOSFETy atd.) existuje také difuzní kapacita mezi bází a emitery. Když tranzistor pracuje v podmínkách vysoké frekvence nebo rychlosti, vliv difuzní kapacity je zřetelnější, protože ovlivňuje zisk tranzistoru a frekvenční odezvu.

Efekt difuzní kapacity

Vliv difuzní kapacity v polovodičových zařízeních se hlavně projevuje v následujících aspektech:

• Výkon vysoké frekvence: V aplikacích vysoké frekvence difuzní kondenzátory omezují pásmo zařízení a ovlivňují jeho výkon vysoké frekvence.

• Rychlost přepínání: v přepínacích aplikacích může difuzní kapacita ovlivnit rychlost přepínacích zařízení a zvýšit přepínací ztráty.

• Zkreslení signálu: V zesilovačích mohou difuzní kondenzátory způsobit dodatečnou fázovou prodlevu, což vede ke zkreslení signálu.

Výpočetní vzorec

Výpočet difuzní kapacity je obvykle založen na modelech v polovodičové fyzice. Pro diodu lze difuzní kapacitu aproximovat jako:

• Q je elektronický náboj.

• NA je koncentrace dopantu.

• μn je mobilita elektronů.

• ϵr je relativní dielektrická konstanta.

• ϵ0 je dielektrická konstanta vakuu.

• VT je tepelné napětí, n = kT/q, k je Boltzmannova konstanta, T je absolutní teplota.

• Vbi je vestavěné potenciály.

Aplikace

• Obvody vysoké frekvence: V rádiových (RF) a mikrovlnných obvodech nelze ignorovat vliv difuzní kapacity.

• Rychlé digitální obvody: v rychlých digitálních obvodech může difuzní kapacita ovlivnit dobu stoupání a klesání signálu.

• Správa energie: V obvodách správy energie ovlivňuje difuzní kapacita efektivitu přepínacího zdroje energie.