Mikä on diffuusiokapasitanssi?

Diffuusiokapasitanssin määritelmä

Diffuusiokapasitanssi on eräänlainen differentiaalikapasitanssi-ilmiö p-n-liittymässä, kun se on positiivisesti harjattu. Se johtuu diffuusioprosessista eri materiaaleissa semijohteissa, kuten PN-liittymässä tai MOSFETissä, eli muutamia kuljettajia dopedoidussa alueessa diffuunoutuvat dopedoimattomaan alueeseen muodostaakseen tilanvarausalueen, joka lopulta ilmaantuu kapasitanssi-ilmeenä.

Perusperiaate

Kun PN-liitos on eteenpäin harjattu, kuljettajat (sähkönot ja aukot) diffuunoutuvat P- ja N-alueiden välillä. Diffuusioprosessissa P-alueen kertyy tietty määrä epätasapainoa (sähkönot), N-alueen kertyy tietty määrä epätasapainoa (aukot). Nämä kertyneet epätasapainossa olevat vähemmistökuljettajat muodostavat tietyn varausvarannon, kuin kapasitanssi, jolla on kyky varastoi sähköä. Diffuusiokapasitanssin koko on yhteydessä eteenpäin harjausten jännitteeseen, lämpötilaan ja semijohdemateriaalien ominaisuuksiin. Mitä suurempi eteenpäin harjausjännite, sitä suurempi diffuusiokapasitanssi.

Diffuusiokapasitanssin muodostuminen

Kun vaihtovirtajännite annetaan semijohteelle, vähemmistön konsentraatio vaihtelee jännitteen mukaan. Nämä vähemmistökuljettajat liikkuvat satunnaisesti semijohteessa ja kertyvät lähelle semijohtejä. Tämä kertyminen on yhtenevä kapasitanssi-ilmiölle, eli diffuusiokapasitanssilta.

Diffuusiokapasitanssin lauseke voidaan yleensä kirjoittaa seuraavasti:

• CD on diffuusiokapasitanssi.

• Qn on vähemmistösähkövaraus.

• V on sovellettu jännite.

Diffuusiokapasitanssi diodissa

Dioideissa diffuusiokapasitanssit ilmenevät pääasiassa eteenpäin harjatussa tilassa. Kun diodi on eteenpäin harjattu, vähemmistökuljettajat (kuten aukot N-tyyppisessä semijohteessa) injisoituvat P-alueeseen, mikä johtaa vähemmistökuljettajien konsentraation muuttumiseen. Konsentraation muutos muodostaa kapasitanssi-ilmiön, eli diffuusiokapasitanssin.

Diffuusiokapasitanssi transistorissa

Transistorissa (kuten BJT, MOSFET-jne.) diffuusiokapasitanssi on myös perusten ja emittorin välillä. Kun transistor toimii korkean taajuuden tai nopean toiminnan olosuhteissa, diffuusiokapasitanssin vaikutus on huomattavampi, koska se vaikuttaa transistoreiden voimistoon ja taajuusvasteeseen.

Diffuusiokapasitanssin vaikutus

Diffuusiokapasitanssin vaikutus semijohteissa heijastuu pääasiassa seuraaviin näkökohtiin:

• Korkean taajuuden suorituskyky: Korkean taajuuden sovelluksissa diffuusiokapasitanssit rajoittavat laitteen taajuusalan ja vaikuttavat sen korkean taajuuden suorituskykyyn.

• Kytkentänopeus: Kytkentäsovelluksissa diffuusiokapasitanssi voi vaikuttaa kytkentälaitteiden nopeuteen, lisätä kytkentähäviötä.

• Signaalin vääristyminen: Vahvistimissa diffuusiokapasitanssit voivat tuoda lisävaiheviiveitä, mikä johtaa signaalin vääristymiseen.

Laskentakaava

Diffuusiokapasitanssin laskenta perustuu yleensä semijohteiden fysiikan malleihin. Diodille diffuusiokapasitanssi voidaan arvioida seuraavasti:

• Q on elektroninen sähkövaraus.

• NA on dopointikonsentraatio

• μn on elektronin liikkuvuuskyky.

• ϵr on suhteellinen dielektrinen vakio.

• ϵ0 on tyhjiön dielektrinen vakio.

• VT on lämpöjännite, n = kT/q, k on Boltzmannin vakio, T on absoluuttinen lämpötila.

• Vbi on sisäänrakennettu potentiaali.

Sovellukset

• Korkean taajuuden piirit: Radiotaajuuden (RF) ja mikroaaltopiireissä diffuusiokapasitanssin vaikutusta ei voi jättää huomiotta.

• Nopea digitaalipiiri: Nopeissa digitaalipiireissä diffuusiokapasitanssi voi vaikuttaa signaalin nousu- ja laskuaikaan.

• Tehotarjonta: Tehotarjontapiireissä diffuusiokapasitanssi vaikuttaa kytkentävirtalähteen tehokkuuteen.