อะไรคือ Diffusion Capacitance

คำนิยามของความจุแพร่กระจาย

ความจุแพร่กระจายคือผลของการมีความจุแบบอนุพันธ์ของวงจร p-n เมื่อได้รับแรงดันบวก มันเกิดขึ้นจากการแพร่ของวัสดุประเภทต่างๆ ในอุปกรณ์กึ่งตัวนำ เช่น จุดต่อ PN หรือ MOSFET กล่าวคือ ผู้นำจำนวนน้อยในบริเวณที่ถูกเติมเข้าไปแพร่ไปยังบริเวณที่ไม่ได้ถูกเติมเพื่อสร้างพื้นที่ประจุและสุดท้ายจะปรากฏเป็นผลของความจุ

หลักการพื้นฐาน

เมื่อจุดต่อ PN ได้รับแรงดันบวก ผู้นำ (อิเล็กตรอนและโฮล) จะแพร่จากบริเวณ P และ N ตามลำดับ ในกระบวนการแพร่ บริเวณ P จะสะสมปริมาณของเจนที่ไม่สมดุล (อิเล็กตรอน) บางส่วน ในขณะที่บริเวณ N จะสะสมปริมาณของเจนที่ไม่สมดุล (โฮล) บางส่วน การสะสมของอนุภาคที่ไม่สมดุลเหล่านี้ทำให้เกิดคลังประจุเหมือนกับความจุ โดยมีความสามารถในการเก็บประจุ ขนาดของความจุแพร่กระจายขึ้นอยู่กับแรงดันบวก ความร้อน และคุณสมบัติของวัสดุกึ่งตัวนำ ยิ่งแรงดันบวกมาก ความจุแพร่กระจายก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น

การเกิดขึ้นของความจุแพร่กระจาย

เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าสลับถูกนำไปใช้กับจุดต่อของกึ่งตัวนำ ความเข้มข้นของอนุภาคที่ไม่สมดุลจะเปลี่ยนแปลงตามแรงดัน อนุภาคที่ไม่สมดุลเหล่านี้เคลื่อนที่อย่างสุ่มในกึ่งตัวนำและสะสมใกล้จุดต่อกึ่งตัวนำ การสะสมนี้เทียบเท่ากับผลของความจุ ซึ่งเรียกว่าความจุแพร่กระจาย

สูตรสำหรับความจุแพร่กระจายสามารถเขียนได้โดยทั่วไปว่า:

• CD คือความจุแพร่กระจาย

• Qn คือประจุของอนุภาคที่ไม่สมดุล

• V คือแรงดันที่นำมาใช้

ความจุแพร่กระจายในไดโอด

ในไดโอด ความจุแพร่กระจายจะปรากฏในสถานะที่ได้รับแรงดันบวก เมื่อไดโอดได้รับแรงดันบวก อนุภาคที่ไม่สมดุล (เช่น โฮลในกึ่งตัวนำชนิด N) จะถูกฉีดเข้าไปในบริเวณ P ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของอนุภาคที่ไม่สมดุล การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของเจนทำให้เกิดผลของความจุ ซึ่งเรียกว่าความจุแพร่กระจาย

ความจุแพร่กระจายในทรานซิสเตอร์

ในทรานซิสเตอร์ (เช่น BJT, MOSFETs ฯลฯ) ความจุแพร่กระจายยังคงมีอยู่ระหว่างฐานและอิมิตเตอร์ เมื่อทรานซิสเตอร์ทำงานในสภาพความถี่สูงหรือความเร็วสูง ผลกระทบของความจุแพร่กระจายจะชัดเจนมากขึ้น เนื่องจากมันส่งผลต่อการขยายสัญญาณและความถี่ตอบสนองของทรานซิสเตอร์

ผลกระทบของความจุแพร่กระจาย

ผลกระทบที่เกิดจากความจุแพร่กระจายในอุปกรณ์กึ่งตัวนำสะท้อนออกมาในด้านต่อไปนี้:

• ประสิทธิภาพความถี่สูง: ในแอปพลิเคชันความถี่สูง ความจุแพร่กระจายจำกัดแบนด์วิธของอุปกรณ์และส่งผลต่อประสิทธิภาพความถี่สูง

• ความเร็วในการสวิตช์: ในแอปพลิเคชันสวิตช์ ความจุแพร่กระจายอาจส่งผลต่อความเร็วในการสวิตช์อุปกรณ์และเพิ่มการสูญเสียจากการสวิตช์

• การบิดเบือนสัญญาณ: ในแอมปลิฟายเออร์ ความจุแพร่กระจายอาจทำให้เกิดการล่าช้าทางเฟสเพิ่มเติม ทำให้เกิดการบิดเบือนสัญญาณ

สูตรคำนวณ

การคำนวณความจุแพร่กระจายมักจะอาศัยโมเดลในฟิสิกส์กึ่งตัวนำ สำหรับไดโอด ความจุแพร่กระจายสามารถประมาณได้ว่า:

• Q คือประจุอิเล็กตรอน

• NA คือความเข้มข้นของการเติม

• μn คือความคล่องตัวของอิเล็กตรอน

• ϵr คือค่าคงที่ดีอิเล็กทริกสัมพัทธ์

• ϵ0 คือค่าคงที่ดีอิเล็กทริกของสุญญากาศ

• VT คือแรงดันความร้อน, n = kT/q, k คือค่าคงที่โบลท์ซมัน, T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์

• Vbi คือแรงดันภายใน

การใช้งาน

• วงจรความถี่สูง: ในวงจรความถี่วิทยุ (RF) และไมโครเวฟ ผลกระทบของความจุแพร่กระจายไม่สามารถละเลยได้

• วงจรดิจิทัลความเร็วสูง: ในวงจรดิจิทัลความเร็วสูง ความจุแพร่กระจายสามารถส่งผลต่อเวลาขึ้นและลงของสัญญาณ

• การจัดการพลังงาน: ในวงจรจัดการพลังงาน ความจุแพร่กระจายส่งผลต่อประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟสวิตช์