¿Qué es la capacitancia de difusión?
Definición de la capacitancia de difusión
La capacitancia de difusión es un tipo de efecto de capacitancia diferencial de una unión p-n cuando está polarizada positivamente. Se debe al proceso de difusión de diferentes tipos de materiales en dispositivos semiconductores como uniones PN o MOSFET, es decir, algunos portadores en la región dopada se difunden hacia la región no dopada para formar una región de carga espacial y finalmente aparecen como un efecto de capacitancia.
Principio básico
Cuando la unión PN está polarizada directamente, los portadores (electrones y huecos) se difunden desde las regiones P y N, respectivamente. En el proceso de difusión, la zona P acumula cierta cantidad de Jane no equilibrado (electrónico), mientras que la zona N acumula cierta cantidad de Jane no equilibrado (hueco). Estos portadores minoritarios acumulados forman un cierto almacenamiento de carga, similar a un capacitor, con la capacidad de almacenar carga. El tamaño de la capacitancia de difusión está relacionado con el voltaje de polarización directa, la temperatura y las propiedades de los materiales semiconductores. Cuanto mayor sea el voltaje de polarización directa, mayor será la capacitancia de difusión.
Formación de la capacitancia de difusión
Cuando se aplica un voltaje alternativo a una unión semiconductor, la concentración de los portadores minoritarios varía con el voltaje. Estos portadores minoritarios se mueven aleatoriamente en el semiconductor y se acumulan cerca de la unión del semiconductor. Esta acumulación es equivalente a un efecto de capacitancia, es decir, la capacitancia de difusión.
La expresión para la capacitancia de difusión generalmente se puede escribir como:
CD es la capacitancia de difusión.
Qn es la carga minoritaria.
V es el voltaje aplicado.
Capacitancia de difusión en un diodo
En los diodos, los capacitores de difusión aparecen principalmente en estado de polarización directa. Cuando el diodo está polarizado directamente, los portadores minoritarios (como los huecos en semiconductores de tipo N) se inyectan en la región P, lo que resulta en un cambio en la concentración de portadores minoritarios. El cambio en la concentración de Jane formó un efecto de capacitancia, es decir, la capacitancia de difusión.
Capacitancia de difusión en un transistor
En los transistores (como BJT, MOSFET, etc.), la capacitancia de difusión también existe entre la base y el emisor. Cuando el transistor trabaja en condiciones de alta frecuencia o alta velocidad, la influencia de la capacitancia de difusión es más evidente, ya que afecta la ganancia del transistor y la respuesta de frecuencia.
Efecto de la capacitancia de difusión
La influencia de la capacitancia de difusión en los dispositivos semiconductores se refleja principalmente en los siguientes aspectos:
Rendimiento de alta frecuencia: En aplicaciones de alta frecuencia, los capacitores de difusión limitan el ancho de banda del dispositivo y afectan su rendimiento de alta frecuencia.
Velocidad de conmutación: en aplicaciones de conmutación, la capacitancia de difusión puede afectar la velocidad de los dispositivos de conmutación, aumentando la pérdida de conmutación.
Distorsión de la señal: En amplificadores, los capacitores de difusión pueden introducir un retraso de fase adicional, resultando en distorsión de la señal.
Fórmula de cálculo
El cálculo de la capacitancia de difusión generalmente se basa en modelos de física de semiconductores. Para un diodo, la capacitancia de difusión se puede aproximar como:
Q es la carga electrónica.
NA es la concentración de dopado.
μn es la movilidad de electrones.
ϵr es la constante dieléctrica relativa.
ϵ0 es la constante dieléctrica del vacío.
VT es el voltaje térmico, n = kT/q, k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta.
Vbi es el potencial incorporado.
Aplicación
Circuitos de alta frecuencia: En circuitos de radiofrecuencia (RF) y microondas, el efecto de la capacitancia de difusión no puede ser ignorado.
Circuito digital de alta velocidad: en circuitos digitales de alta velocidad, la capacitancia de difusión puede afectar el tiempo de subida y caída de la señal.
Gestión de energía: En un circuito de gestión de energía, la capacitancia de difusión afecta la eficiencia de la fuente de alimentación conmutada.
