Co to jest pojemność dyfuzja?
Definicja pojemności dyfuzji
Pojemność dyfuzji to rodzaj efektu różnicowego pojemności półprzewodnikowej styki p-n, gdy jest ona dodatnio obciążona. Jest spowodowana procesem dyfuzji różnych typów materiałów w urządzeniach półprzewodnikowych, takich jak styka PN lub MOSFET, tj. kilka nośników ładunku w obszarze domieszkowanym dyfunduje do obszaru niezdomieszkowanego, tworząc region ładunku przestrzennego, który ostatecznie pojawia się jako efekt pojemnościowy.
Podstawowe zasady
Gdy styka PN jest dodatnio obciążona, nośniki ładunku (elektrony i dziury) będą dyfundować odpowiednio z obszaru P i N. W trakcie dyfuzji, w obszarze P gromadzi się pewna ilość nieequilibriumowych Jane (elektronów), a w obszarze N gromadzi się pewna ilość nieequilibriumowych Jane (dziur). Te zgromadzone nieequilibriumowe mniejszościowe cząsteczki tworzą pewne magazynowanie ładunku, podobne do kondensatora, z możliwością przechowywania ładunku. Wielkość pojemności dyfuzji jest związana z napięciem obciążenia w kierunku przód, temperaturą i właściwościami materiałów półprzewodnikowych. Im większe napięcie obciążenia w kierunku przód, tym większa pojemność dyfuzji.
Formowanie pojemności dyfuzji
Gdy do styki półprzewodnikowej zastosowane jest napięcie przemiennoprądowe, stężenie mniejszości zmienia się wraz z napięciem. Te mniejszościowe cząsteczki poruszają się losowo w półprzewodniku i gromadzą się w pobliżu styki półprzewodnikowej. To gromadzenie jest równoważne efektowi pojemności, czyli pojemności dyfuzji.
Wyrażenie na pojemność dyfuzji można zwykle zapisać jako:
CD to pojemność dyfuzji.
Qn to ładunek mniejszości.
V to zastosowane napięcie.
Pojemność dyfuzji w diodzie
W diodach, kondensatory dyfuzyjne występują głównie w stanie obciążenia w kierunku przód. Gdy dioda jest obciążona w kierunku przód, mniejszościowe cząsteczki (np. dziury w półprzewodnikach typu N) są wprowadzane do obszaru P, co prowadzi do zmiany stężenia mniejszości. Zmiana stężenia Jane tworzy efekt pojemności, czyli pojemność dyfuzji.
Pojemność dyfuzji w tranzystorze
W tranzystorach (takich jak BJT, MOSFETy itp.) pojemność dyfuzji również istnieje między bazą a emiterem. Gdy tranzystor działa w warunkach wysokiej częstotliwości lub dużej prędkości, wpływ pojemności dyfuzji staje się bardziej widoczny, ponieważ wpływa na wzmocnienie tranzystora i odpowiedź częstotliwościową.
Efekt pojemności dyfuzji
Wpływ pojemności dyfuzji w urządzeniach półprzewodnikowych odzwierciedla się głównie w następujących aspektach:
Wydajność na wysokich częstotliwościach: W aplikacjach wysokich częstotliwości, kondensatory dyfuzyjne ograniczają pasmo przepustowe urządzenia i wpływają na jego wydajność na wysokich częstotliwościach.
Prędkość przełączania: w aplikacjach przełączania, pojemność dyfuzji może wpływać na prędkość urządzeń przełączających, zwiększając straty przełączania.
Zniekształcenie sygnału: W wzmacniaczach, kondensatory dyfuzyjne mogą wprowadzać dodatkowe opóźnienie fazowe, prowadząc do zniekształcenia sygnału.
Wzór obliczeniowy
Obliczenie pojemności dyfuzji opiera się zwykle na modelach fizyki półprzewodników. Dla diody, pojemność dyfuzji można przybliżyć jako:
Q to ładunek elektryczny.
NA to stężenie domieszkowania.
μn to mobilność elektronów.
ϵr to względna stała dielektryczna.
ϵ0 to stała dielektryczna próżni.
VT to napięcie termiczne, n = kT/q, k to stała Boltzmanna, T to temperatura bezwzględna.
Vbi to wbudowane napięcie.
Zastosowanie
Obwody wysokich częstotliwości: W obwodach radiowych (RF) i mikrofalowych, wpływ pojemności dyfuzji nie może być pominięty.
Wysokoszybkowe obwody cyfrowe: w wysokoszybkich obwodach cyfrowych, pojemność dyfuzji może wpływać na czas narastania i spadku sygnału.
Zarządzanie energią: W obwodach zarządzania energią, pojemność dyfuzji wpływa na efektywność zasilacza przełączanego.
