Kaj je difuzijska kapacitanca?

Definicija difuzne kapacitance

Difuzna kapacitanca je vrsta diferencialne kapacitance p-n preloma, ko je pozitivno polariziran. Nastane zaradi difuznega procesa različnih vrst materialov v polprevodniških napravah, kot so PN prelomi ali MOSFET-i, to je, nekaj nosilcev v dozirani regiji se difundira v nedozirano regijo in oblikuje prostorsko nabojeno območje, ki končno nastane kot kapacitancni učinek.

Osnovni princip

Ko je PN prelom napet s prednapetostjo, se nosilci (elektroni in luknje) difundirajo iz P in N regij eden v drugega. V procesu difuzije se v P območju zbirata določena količina neekvilibrijnih Jane (elektronov), v N območju pa določena količina neekvilibrijnih Jane (luknj). Te zbrane neekvilibrijne manjšinske častice oblikujejo določeno shranjeno nabojno količino, podobno kondenzatorju, z sposobnostjo shranjevanja naboja. Velikost difuzne kapacitance je odvisna od prednapetosti, temperature in lastnosti polprevodniških materialov. Večja prednapetost pomeni večjo difuzno kapacitanco.

Obrazovanje difuzne kapacitance

Ko na polprevodniški prelom uporabimo nihanjsko napetost, se koncentracija manjšinskega naboja spreminja z napetostjo. Te manjšinske častice se naključno gibljejo v polprevodniku in se nagromadijo blizu polprevodniškega preloma. To nagromaditev je enakovredna kapacitancnemu učinku, to je difuzna kapacitanca.

Izraz za difuzno kapacitanco se običajno lahko zapiše kot:

• CD je difuzna kapacitanca.

• Qn je manjšinski naboj.

• V je uporabljena napetost.

Difuzna kapacitanca v diodu

V diodah se difuzni kondenzatorji predvsem pojavljajo v stanju prednapetosti. Ko je dioda prednapet, se manjšinske častice (na primer luknje v N tipu polprevodnika) vstreljujejo v P-območje, kar povzroči spremembo koncentracije manjšinskega naboja. Sprememba koncentracije Jane formira kapacitancni učinek, to je difuzna kapacitanca.

Difuzna kapacitanca v tranzistorju

V tranzistorjih (na primer BJT, MOSFET-i itd.) obstaja tudi difuzna kapacitanca med bazo in emiterjem. Ko tranzistor deluje pri visokih frekvencah ali hitrostih, je učinek difuzne kapacitance bolj očiten, ker vpliva na pojačanje tranzistorja in frekvenčno odzivnost.

Učinek difuzne kapacitance

Vpliv difuzne kapacitance v polprevodniških napravah se največ odraža v naslednjih vidikih:

• Značilnosti visokih frekvenc: V aplikacijah visokih frekvenc difuzni kondenzatorji omejujejo pasovno širino naprave in vplivajo na njene značilnosti visokih frekvenc.

• Hitrost preklapljanja: v aplikacijah preklapljanja, difuzna kapacitanca lahko vpliva na hitrost preklapljanja naprav in poveča izgube pri preklapljanju.

• Deformacija signala: V pojačevalnikih lahko difuzni kondenzatorji prineso dodatno fazno zamudo, kar povzroči deformacijo signala.

Izračunski obrazec

Izračun difuzne kapacitance je običajno temeljit na modelih v fiziki polprevodnikov. Za diodo se difuzna kapacitanca lahko aproksimira kot:

• Q je električni naboj.

• NA je koncentracija dopiranja.

• μn je mobilnost elektronov.

• ϵr je relativna dielektrična konstanta.

• ϵ0 je dielektrična konstanta vakuma.

• VT je termalna napetost, n = kT/q, k je Boltzmannova konstanta, T je absolutna temperatura.

• Vbi je vgrajena potencialna razlika.

Uporaba

• Cirkviti visokih frekvenc: V radiofrekvenčnih (RF) in mikrovalnih cirkvitetih, učinek difuzne kapacitance ni mogoče zanemariti.

• Hitri digitalni cirkvit: v hitrih digitalnih cirkvitih, difuzna kapacitanca lahko vpliva na čas narastanja in padanja signala.

• Upravljanje s strujami: V cirkvitih za upravljanje s strujami, difuzna kapacitanca vpliva na učinkovitost preklapljajočih strujnih virov.