Was ist Diffusionskapazität?

Definition der Diffusionskapazität

Die Diffusionskapazität ist eine Art von differentieller Kapazitätseffekt an einer p-n-Übergangsstelle, wenn sie positiv vorspannungsbereit ist. Sie wird durch den Diffusionsprozess verschiedener Materialarten in Halbleiterbauteilen wie PN-Übergängen oder MOSFETs verursacht, das heißt, einige Träger im dotierten Bereich diffundieren in den undotierten Bereich, um eine Raumladungszone zu bilden, und erscheinen schließlich als Kapazitätseffekt.

Grundsätzliches Prinzip

Wenn der PN-Übergang vorwärts vorspannungsbereit ist, diffundieren die Träger (Elektronen und Löcher) jeweils vom P-Bereich zum N-Bereich und umgekehrt. Im Verlauf der Diffusion hat sich im P-Bereich eine bestimmte Menge an Nichtgleichgewichtsjanes (Elektronen) und im N-Bereich eine bestimmte Menge an Nichtgleichgewichtsjanes (Löcher) angesammelt. Diese angesammelten Nichtgleichgewichtsminderheiten bilden eine bestimmte Ladungsspeicherung, ähnlich einem Kondensator, mit der Fähigkeit, Ladungen zu speichern. Die Größe der Diffusionskapazität hängt von der Vorwärtsvorspannung, der Temperatur und den Eigenschaften des Halbleitermaterials ab. Je größer die Vorwärtsvorspannung, desto größer ist die Diffusionskapazität.

Entstehung der Diffusionskapazität

Wenn eine Wechselspannung auf einen Halbleiterübergang angewendet wird, variiert die Konzentration der Minderheiten mit der Spannung. Diese Minderheitsteilchen bewegen sich zufällig im Halbleiter und sammeln sich in der Nähe des Halbleiterübergangs an. Diese Anhäufung ist äquivalent zu einem Kondensatoreffekt, nämlich der Diffusionskapazität.

Der Ausdruck für die Diffusionskapazität kann normalerweise geschrieben werden als:

• CD ist die Diffusionskapazität.

• Qn ist die Minderheitsladung.

• V ist die angelegte Spannung.

Diffusionskapazität in einer Diode

In Dioden treten Diffusionskondensatoren hauptsächlich im Zustand der Vorwärtsvorspannung auf. Wenn die Diode vorwärts vorspannungsbereit ist, werden Minderheitsteilchen (wie Löcher in N-Halbleitern) in den P-Bereich injiziert, was zu einer Änderung der Minderheitskonzentration führt. Die Änderung der Konzentration der Janes bildet einen Kondensatoreffekt, nämlich die Diffusionskapazität.

Diffusionskapazität in einem Transistor

In Transistoren (wie BJT, MOSFETs usw.) existiert die Diffusionskapazität auch zwischen Basis und Emitter. Wenn der Transistor unter Hochfrequenz- oder Hochgeschwindigkeitsbedingungen arbeitet, wird der Einfluss der Diffusionskapazität deutlicher, da er die Verstärkung des Transistors und die Frequenzantwort beeinflusst.

Einfluss der Diffusionskapazität

Der Einfluss der Diffusionskapazität in Halbleiterbauteilen spiegelt sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten wider:

• Hochfrequenzleistung: In Hochfrequenzanwendungen begrenzen Diffusionskondensatoren die Bandbreite des Bauteils und beeinflussen seine Hochfrequenzleistung.

• Schaltgeschwindigkeit: In Schaltanwendungen kann die Diffusionskapazität die Schaltgeschwindigkeit von Schaltelementen beeinflussen und die Schaltverluste erhöhen.

• Signaldistortion: In Verstärkern können Diffusionskondensatoren zusätzliche Phasenverschiebungen einführen, was zu Signaldistortionen führt.

Berechnungsformel

Die Berechnung der Diffusionskapazität basiert normalerweise auf Modellen der Halbleiterphysik. Für eine Diode kann die Diffusionskapazität angenähert werden durch:

• Q ist die elektrische Ladung.

• NA ist die Dotierungskonzentration.

• μn ist die Elektronenbeweglichkeit.

• ϵr ist die relative Permittivität.

• ϵ0 ist die Permittivität des Vakuums.

• VT ist die thermische Spannung, n = kT/q, k ist die Boltzmann-Konstante, T ist die absolute Temperatur.

• Vbi ist das eingebaute Potential.

Anwendung

• Hochfrequenzschaltungen: In Funkfrequenz- (RF) und Mikrowellenschaltungen kann der Einfluss der Diffusionskapazität nicht ignoriert werden.

• Hochgeschwindigkeitsdigitalschaltungen: In Hochgeschwindigkeitsdigitalschaltungen kann die Diffusionskapazität die Signalanstiegs- und -abfallzeiten beeinflussen.

• Strommanagement: In Strommanagementschaltungen beeinflusst die Diffusionskapazität die Effizienz des Schaltstromversorgers.