Hva er diffusjonskapasitans?
Definisjon av diffusjonskapasitans
Diffusjonskapasitans er en type differentialkapasitanseffekt ved p-n-forbindelsen når den er positivt forskyvet. Den er forårsaket av diffusjonsprosessen av ulike typer materialer i halvlederkomponenter som PN-forbindelse eller MOSFET, det vil si, noen bærere i dopet område diffuserer til det ufordopede området for å danne et romladningsområde, og viser seg til slutt som en kapasitanseffekt.
Grunnleggende prinsipp
Når PN-forbindelsen er fremoverforskyvet, vil bærere (elektroner og hull) diffusere fra P- og N-områdene mot hverandre, henholdsvis. I diffusjonsprosessen har P-området akkumulert en viss mengde ikke-ekvilibrierte Jane (elektron), mens N-området har akkumulert en viss mengde ikke-ekvilibrierte Jane (hull). Disse akkumulerte ikke-ekvilibrierte mindretalspartiklene danner en viss ladbare lagring, som en kondensator, med evnen til å lagre lading. Størrelsen på diffusjonskapasitansen er relatert til fremoverforskyvningsvolten, temperaturen og egenskapene til halvledermaterialene. Jo større fremoverforskyvningsvolten, jo større er diffusjonskapasitansen.
Dannelse av diffusjonskapasitans
Når en AC-spennning blir brukt på en halvlederforbindelse, varierer koncentrasjonen av mindretallet med spennningen. Disse mindretallsbærerne beveger seg tilfeldig i halvlederen og akkumulerer nær halvlederforbindelsen. Denne akkumulasjonen er ekvivalent med en kapasitanseffekt, nemlig diffusjonskapasitansen.
Utrykket for diffusjonskapasitans kan vanligvis skrives som:
CD er diffusjonskapasitansen.
Qn er minoritetsladningen.
V er den anvendte spenningen.
Diffusjonskapasitans i en diode
I dioder opptrer diffusjonskapasitanter hovedsakelig i fremoverforskyvningsstilstanden. Når dioden er fremoverforskyvet, injiseres minoritetspartikler (som hull i N-type halvledere) inn i P-området, noe som fører til en endring i minoritetskoncentrasjonen. Endringen i koncentrasjonen av Jane danner en kapasitanseffekt, nemlig diffusjonskapasitansen.
Diffusjonskapasitans i en transistor
I tranzistorer (som BJT, MOSFETer, etc.) eksisterer også diffusjonskapasitansen mellom basisen og emittoren. Når tranzistoren fungerer under høyfrekvens- eller høyhastighetsforhold, blir effekten av diffusjonskapasitansen mer synlig, da den påvirker forsterkningsgraden og frekvensresponsen til tranzistoren.
Effekt av diffusjonskapasitans
Inflytelsen av diffusjonskapasitans i halvlederkomponenter kommer hovedsakelig til uttrykk gjennom følgende aspekter:
Høyfrekvensytelse: I høyfrekvensapplikasjoner begrenser diffusjonskapasitanter båndbredden til enheten og påvirker dens høyfrekvensytelse.
Skruingshastighet: i skruingsapplikasjoner kan diffusjonskapasitansen påvirke hastigheten til skruingsenheter, øke skruingstap.
Signalforskjøvelse: I forsterkere kan diffusjonskapasitanter introdusere ytterligere faseforsinkelse, noe som fører til signalforskjøvelse.
Beregningssformel
Beregningen av diffusjonskapasitans baserer seg vanligvis på modeller i halvlederfysikk. For en diode kan diffusjonskapasitansen approksimeres som:
Q er elektronisk ladning.
NA er dopingskoncentrasjon
μn er elektronmobilitet.
ϵr er relativ dielektrisk konstant.
ϵ0 er dielektrisk konstant for vakuum.
VT er termisk spenning, n = kT/q, k er Boltzmann-konstanten, T er absolutt temperatur.
Vbi er innebygd potensial.
Anvendelse
Høyfrekvenskretsar: I radiofrekvens (RF) og mikrobølgekretsar kan effekten av diffusjonskapasitans ikke ignoreres.
Høyhastighetsdigital krets: i høyhastighetsdigitale krets kan diffusjonskapasitansen påvirke signalstigningstid og -falltid.
Strømforvaltning: I en strømforvaltningskrets påvirker diffusjonskapasitansen effektiviteten til skruingsstrømforsyningen.
