Hvad er diffusion kapacitans?

Definition af diffusion kapacitans

Diffusionskapacitans er en type differential kapacitans effekt i p-n junction, når den er positivt polariseret. Den er forårsaget af diffusionsprocessen af forskellige materialer i halvlederenheder som PN junction eller MOSFET, det vil sige, at nogle få bærere i dopede regioner diffunderer til undopede regioner for at danne en rumladningsregion, og endelig viser sig som en kapacitans effekt.

Grundlæggende princip

Når PN junction er fremskridtpolariseret, vil bærere (elektroner og huller) diffunderer fra P- og N-regioner til hinanden. Under diffusionsprocessen har P-området akkumuleret en vis mængde ikke-equilibrium Jane (elektron), mens N-området har akkumuleret en vis mængde ikke-equilibrium Jane (hul). Disse akkumulerede mindretalspartikler danner en vis ladningslager, ligesom en kapacitor, med evnen til at lagre ladning. Størrelsen af diffusionskapacitansen er relateret til fremskridtspolæringsspændingen, temperatur og egenskaberne af halvledermaterialerne. Jo større fremskridtspolæringsspændingen, jo større er diffusionskapacitansen.

Dannelsen af diffusionskapacitans

Når et AC-spænding anvendes på en halvlederjunction, varierer koncentrationen af mindretal med spændingen. Disse mindretalspartikler bevæger sig tilfældigt i halvlederen og akkumulerer tæt på halvlederjunctionen. Denne akkumulation er ækvivalent med en kapacitans effekt, nemlig diffusionskapacitans.

Udtrykket for diffusionskapacitans kan normalt skrives som:

• CD er diffusionskapacitansen.

• Qn er mindretalsladningen.

• V er det anvendte spænding.

Diffusionskapacitans i en diode

I dioder optræder diffusionskapacitorer hovedsageligt i fremskridtspolæringstillstanden. Når dioden er fremskridtsbelasted, bliver mindretalspartikler (som huller i N-type halvledere) indsprøjtet i P-regionen, hvilket resulterer i en ændring i mindretalskoncentrationen. Ændringen i Janes koncentration dannede en kapacitans effekt, nemlig diffusionskapacitans.

Diffusionskapacitans i en transistor

I transistorer (som BJT, MOSFETs osv.) findes der også diffusionskapacitans mellem basen og emitteren. Når transistoren arbejder under højfrekvens- eller højhastighedsbetingelser, er effekten af diffusionskapacitans mere tydelig, da den påvirker gainet af transistoren og frekvensresponsen.

Effekt af diffusionskapacitans

Indflydelsen af diffusionskapacitans i halvlederenheder er hovedsageligt afspejlet i følgende aspekter:

• Højfrekvens ydeevne: I højfrekvensanvendelser begrænser diffusionskapacitorer enhedens båndbredde og påvirker dens højfrekvensydeevne.

• Skift hastighed: i skiftanvendelser kan diffusionskapacitans påvirke hastigheden af skiftenhed, øge skifttab.

• Signal forvrængning: I forstærkere kan diffusionskapacitorer introducere yderligere faseforskydning, hvilket resulterer i signalforvrængning.

Beregning formel

Beregningen af diffusionskapacitans er normalt baseret på modeller i halvlederfysik. For en diode kan diffusionskapacitans approksimeres som:

• Q er elektronladningen.

• NA er dopingkoncentrationen

• μn er elektronmobiliteten.

• ϵr er den relative dielektriske konstant.

• ϵ0 er vakuumets dielektriske konstant.

• VT er termisk spænding, n = kT/q, k er Boltzmann-konstanten, T er absolut temperaturen.

• Vbi er den indbyggede potentiel.

Anvendelse

• Højfrekvenskredsløb: I radiofrekvens (RF) og mikrobølgekredsløb kan effekten af diffusionskapacitans ikke ignoreres.

• Højhastighed digital kredsløb: i højhastighed digitale kredsløb kan diffusionskapacitans påvirke signalets stigningstid og faldetid.

• Strømstyring: i en strømstyringskredsløb påvirker diffusionskapacitans effektiviteten af switching power supply.