Wat is diffusiecapaciteit?
Definitie van diffusiecapaciteit
Diffusiecapaciteit is een soort differentiële capaciteitswerking van een p-n-junctie wanneer deze positief wordt voorbelast. Het wordt veroorzaakt door het diffusieproces van verschillende materialen in halfgeleiderapparatuur zoals PN-juncties of MOSFET's, waarbij enkele dragerdeeltjes in de gedopeerde regio diffunderen naar de ongedopeerde regio om een ruimtelijke ladingregio te vormen, wat uiteindelijk verschijnt als een capaciteitswerking.
Basisprincipe
Wanneer de PN-junctie voorwaarts wordt belast, zullen dragers ( elektronen en gaten) respectievelijk van de P- en N-regio's naar elkaar diffunderen. Tijdens het diffusieproces heeft de P-regio een bepaalde hoeveelheid niet-evenwichtige Jane (elektronen) opgebouwd, terwijl de N-regio een bepaalde hoeveelheid niet-evenwichtige Jane (gaten) heeft opgebouwd. Deze opgeslagen niet-evenwichtige minderheidsdeeltjes vormen een bepaalde ladingopslag, vergelijkbaar met een condensator, met de mogelijkheid om lading op te slaan. De grootte van de diffusiecapaciteit is gerelateerd aan de voorwaartse belastingsspanning, temperatuur en de eigenschappen van halfgeleidermaterialen. Hoe groter de voorwaartse belastingsspanning, hoe groter de diffusiecapaciteit.
De vorming van de diffusiecapaciteit
Wanneer een wisselspanning wordt toegepast op een halfgeleiderjunctie, varieert de concentratie van de minderheden met de spanning. Deze minderheidsdeeltjes bewegen willekeurig in de halfgeleider en verzamelen zich bij de halfgeleiderjunctie. Deze accumulatie is equivalent aan een capaciteitswerking, namelijk de diffusiecapaciteit.
De uitdrukking voor diffusiecapaciteit kan meestal worden geschreven als:
CD is de diffusiecapaciteit.
Qn is de minderheidslading.
V is de aangebrachte spanning.
Diffusiecapaciteit in een diode
In diodes verschijnen diffusiecondensatoren voornamelijk in de toestand van voorwaartse belasting. Wanneer de diode voorwaarts wordt belast, worden minderheidsdeeltjes (zoals gaten in N-type halfgeleiders) in de P-regio geïnjecteerd, wat leidt tot een verandering in de concentratie van minderheden. De verandering van de concentratie van Jane vormde een capaciteitswerking, namelijk de diffusiecapaciteit.
Diffusiecapaciteit in een transistor
In transistors (zoals BJT, MOSFETs, enz.) bestaat de diffusiecapaciteit ook tussen de basis en de emitter. Wanneer de transistor werkt onder hoge frequentie of hoge snelheid, is de invloed van de diffusiecapaciteit duidelijker, omdat deze de versterking van de transistor en de frequentie-respons beïnvloedt.
Effect van diffusiecapaciteit
De invloed van diffusiecapaciteit in halfgeleiderapparatuur komt voornamelijk tot uiting in de volgende aspecten:
Hoogfrequentieprestaties: In hoogfrequente toepassingen beperken diffusiecondensatoren de bandbreedte van het apparaat en beïnvloeden de hoogfrequentieprestaties.
Schakelsnelheid: in schakelingstoepassingen kan de diffusiecapaciteit de schakelsnelheid van apparaten beïnvloeden en de schakelverliezen verhogen.
Signaalvervorming: In versterkers kunnen diffusiecondensatoren extra fasevertraging introduceren, wat leidt tot signaalvervorming.
Berekeningsformule
De berekening van diffusiecapaciteit is meestal gebaseerd op modellen in de halfgeleiderfysica. Voor een diode kan de diffusiecapaciteit worden benaderd als:
Q is de elektronische lading.
NA is de dopingsconcentratie
μn is de elektronmobielheid.
ϵr is de relatieve dielektrische constante.
ϵ0 is de dielektrische constante van het vacuüm.
VT is de thermische spanning, n = kT/q, k is de boltzmannconstante, T is de absolute temperatuur.
Vbi is de ingebouwde potentiaal.
Toepassing
Hoogfrequentschakelingen: In radiofrequente (RF) en microgolfschakelingen kan het effect van diffusiecapaciteit niet worden genegeerd.
Hoogsnelle digitale schakeling: in hoogsnelle digitale schakelingen kan de diffusiecapaciteit de signaalopgangstijd en -afgangstijd beïnvloeden.
Energiebeheer: In een energiebeheerschakeling beïnvloedt de diffusiecapaciteit de efficiëntie van de schakelvoeding.
