Apa itu Kapasitansi Difusi?

Definisi kapasitansi difusi

Kapasitansi difusi adalah jenis efek kapasitansi diferensial dari junsi p-n ketika diberi bias positif. Ini disebabkan oleh proses difusi bahan-bahan berbeda dalam perangkat semikonduktor seperti junsi PN atau MOSFET, yaitu, beberapa pembawa muatan di daerah yang didoping menyebar ke daerah yang tidak didoping untuk membentuk daerah muatan ruang, dan akhirnya muncul sebagai efek kapasitansi.

Prinsip dasar

Ketika junsi PN mendapat bias maju, pembawa (elektron dan lubang) akan masing-masing menyebar dari daerah P dan N. Dalam proses difusi, daerah P mengumpulkan sejumlah Jane (elektron) non-kesetimbangan, daerah N mengumpulkan sejumlah Jane (lubang) non-kesetimbangan. Partikel minoritas non-kesetimbangan ini membentuk penyimpanan muatan tertentu, seperti kapasitor, dengan kemampuan untuk menyimpan muatan. Ukuran kapasitansi difusi terkait dengan tegangan bias maju, suhu, dan sifat bahan semikonduktor. Semakin besar tegangan bias maju, semakin besar kapasitansi difusinya.

Pembentukan kapasitansi difusi

Ketika tegangan AC diterapkan pada junsi semikonduktor, konsentrasi partikel minoritas berubah sesuai dengan tegangan. Partikel-partikel minoritas ini bergerak secara acak di dalam semikonduktor dan mengumpul dekat junsi semikonduktor. Pengumpulan ini setara dengan efek kapasitansi, yaitu kapasitansi difusi.

Ekspresi untuk kapasitansi difusi biasanya dapat ditulis sebagai:

• CD adalah kapasitansi difusi.

• Qn adalah muatan minoritas.

• V adalah tegangan yang diterapkan.

Kapasitansi difusi pada dioda

Pada dioda, kapasitor difusi utamanya muncul dalam keadaan bias maju. Ketika dioda mendapat bias maju, partikel minoritas (seperti lubang pada semikonduktor tipe-N) disuntikkan ke daerah P, menghasilkan perubahan konsentrasi minoritas. Perubahan konsentrasi Jane ini membentuk efek kapasitansi, yaitu kapasitansi difusi.

Kapasitansi difusi pada transistor

Pada transistor (seperti BJT, MOSFET, dll.), kapasitansi difusi juga ada antara basis dan emiter. Ketika transistor bekerja dalam kondisi frekuensi tinggi atau kecepatan tinggi, pengaruh kapasitansi difusi lebih jelas, karena mempengaruhi gain transistor dan respons frekuensi.

Efek kapasitansi difusi

Pengaruh kapasitansi difusi pada perangkat semikonduktor terutama tercermin dalam aspek-aspek berikut:

• Kinerja frekuensi tinggi: Dalam aplikasi frekuensi tinggi, kapasitor difusi membatasi bandwidth perangkat dan mempengaruhi kinerjanya pada frekuensi tinggi.

• Kecepatan switching: Dalam aplikasi switching, kapasitansi difusi dapat mempengaruhi kecepatan perangkat switching, meningkatkan kerugian switching.

• Distorsi sinyal: Pada amplifier, kapasitor difusi mungkin memperkenalkan penundaan fase tambahan, menghasilkan distorsi sinyal.

Rumus perhitungan

Perhitungan kapasitansi difusi biasanya didasarkan pada model dalam fisika semikonduktor. Untuk dioda, kapasitansi difusi dapat didekati sebagai:

• Q adalah muatan elektron.

• NA adalah konsentrasi doping.

• μn adalah mobilitas elektron.

• ϵr adalah konstanta dielektrik relatif.

• ϵ0 adalah konstanta dielektrik vakum.

• VT adalah tegangan termal, n = kT/q, k adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu absolut.

• Vbi adalah potensial bawaan.

Aplikasi

• Sirkuit frekuensi tinggi: Dalam sirkuit radio frekuensi (RF) dan microwave, efek kapasitansi difusi tidak bisa diabaikan.

• Sirkuit digital kecepatan tinggi: Dalam sirkuit digital kecepatan tinggi, kapasitansi difusi dapat mempengaruhi waktu naik dan turun sinyal.

• Manajemen daya: Dalam sirkuit manajemen daya, kapasitansi difusi mempengaruhi efisiensi pasokan daya switching.