Cosa è la Capacità di Diffusione?
Definizione di capacità di diffusione
La capacità di diffusione è un tipo di effetto di capacità differenziale della giunzione p-n quando è polarizzata positivamente. È causato dal processo di diffusione di diversi tipi di materiali nei dispositivi semiconduttori come la giunzione PN o il MOSFET, cioè alcuni portatori nella regione dopata si diffondono nella regione non dopata per formare una regione di carica spaziale e, infine, appaiono come un effetto di capacità.
Principio di base
Quando la giunzione PN è polarizzata in avanti, i portatori (elettroni e buchi) si diffonderanno rispettivamente dalla regione P e dalla regione N l'una verso l'altra. Nel processo di diffusione, l'area P ha accumulato una certa quantità di Jane non equilibrati (elettronici), mentre l'area N ha accumulato una certa quantità di Jane non equilibrati (buchi). Questi portatori minoritari accumulati formano una certa riserva di carica, simile a un condensatore, con la capacità di immagazzinare carica. La dimensione della capacità di diffusione è legata alla tensione di polarizzazione in avanti, alla temperatura e alle proprietà dei materiali semiconduttori. Più alta è la tensione di polarizzazione in avanti, maggiore sarà la capacità di diffusione.
Formazione della capacità di diffusione
Quando viene applicata una tensione alternata a una giunzione semiconduttore, la concentrazione dei portatori minoritari varia con la tensione. Questi portatori minoritari si muovono in modo casuale nel semiconduttore e si accumulano vicino alla giunzione semiconduttore. Questo accumulo è equivalente a un effetto di capacità, noto come capacità di diffusione.
L'espressione per la capacità di diffusione può essere solitamente scritta come:
CD è la capacità di diffusione.
Qn è la carica minoritaria.
V è la tensione applicata.
Capacità di diffusione in un diodo
Nei diodi, i condensatori di diffusione compaiono principalmente nello stato di polarizzazione in avanti. Quando il diodo è polarizzato in avanti, i portatori minoritari (come i buchi nei semiconduttori N) vengono iniettati nella regione P, causando un cambiamento nella concentrazione dei portatori minoritari. Il cambiamento della concentrazione di Jane forma un effetto di capacità, noto come capacità di diffusione.
Capacità di diffusione in un transistor
Nei transistor (come BJT, MOSFET, ecc.), la capacità di diffusione esiste anche tra la base ed il collettore. Quando il transistor lavora in condizioni ad alta frequenza o ad alta velocità, l'influenza della capacità di diffusione diventa più evidente, poiché influisce sul guadagno del transistor e sulla risposta in frequenza.
Effetto della capacità di diffusione
L'influenza della capacità di diffusione nei dispositivi semiconduttori si riflette principalmente negli aspetti seguenti:
Prestazioni ad alta frequenza: In applicazioni ad alta frequenza, i condensatori di diffusione limitano la banda passante del dispositivo e ne influenzano le prestazioni ad alta frequenza.
Velocità di commutazione: nelle applicazioni di commutazione, la capacità di diffusione può influire sulla velocità dei dispositivi di commutazione, aumentando la perdita di commutazione.
Distorsione del segnale: negli amplificatori, i condensatori di diffusione possono introdurre un ritardo di fase aggiuntivo, causando la distorsione del segnale.
Formula di calcolo
Il calcolo della capacità di diffusione è solitamente basato su modelli di fisica dei semiconduttori. Per un diodo, la capacità di diffusione può essere approssimata come:
Q è la carica elettronica.
NA è la concentrazione di dopaggio.
μn è la mobilità degli elettroni.
ϵr è la costante dielettrica relativa.
ϵ0 è la costante dielettrica del vuoto.
VT è la tensione termica, n = kT/q, k è la costante di Boltzmann, T è la temperatura assoluta.
Vbi è il potenziale intrinseco.
Applicazioni
Circuiti ad alta frequenza: Nei circuiti radiofrequenza (RF) e microonde, l'effetto della capacità di diffusione non può essere ignorato.
Circuiti digitali ad alta velocità: nei circuiti digitali ad alta velocità, la capacità di diffusione può influire sui tempi di salita e discesa del segnale.
Gestione dell'energia: Nei circuiti di gestione dell'energia, la capacità di diffusione influenza l'efficienza dell'alimentazione a commutazione.
