擴散電容

二極管的電容效應(yīng)在交流信號作用下才會表現(xiàn)出來。

反向偏置時，由于少數(shù)載流子數(shù)目很少，可忽略擴散電容。而勢壘電容在正偏和反偏時均不能忽略。

補充說明:

擴散電容(Diffusion capacitance)是p-n結(jié)在正偏時所表現(xiàn)出的一種微分電容效應(yīng)。

pn結(jié)擴散電容是來自于非平衡少數(shù)載流子(簡稱非平衡少子)在pn結(jié)兩邊的中性區(qū)內(nèi)的電荷存儲所造成的電容效應(yīng)(因為在中性擴散區(qū)內(nèi)存儲有等量的非平衡電子和非平衡空穴的電荷，它們的數(shù)量受到結(jié)電壓控制)。這種由于注入載流子存儲電荷隨著電 壓變化所產(chǎn)生的擴散電容將隨正向電壓而按指數(shù)式增大;擴散電容也與直流偏壓有關(guān)(也是一種非線性電容)，也將隨著直流偏壓的增大而指數(shù)式增大，故擴散電容在正向偏壓下比較大。另外，由于pn結(jié)擴散電容與少數(shù)載流子的積累有關(guān)，而少數(shù)載流子的產(chǎn)生與復(fù)合都需要一個時間(稱為壽命τ)過程，所以擴散電容在高頻下基本上不起作用。這就是說，擴散電容還與外加結(jié)電壓的信號頻率ω有關(guān)，并從而常常用乘積(ωτ)的大小來劃分器件工作頻率的高低 :在低頻(ωτ<<1, ωτ<<1)、即[外加信號的變化周期]>>[存儲電荷再分布的時間]時，少數(shù)載流子存儲電荷的變化跟得上外加信號的變化, 則擴散電容較大;在高頻 (ωτ >>1, ωτ>>1)、即存儲電荷跟不上外加信號的變化時, 擴散電容很小(隨著(ωτ)1/2下降)，故擴散電容在低頻下很重要。

因為pn結(jié)的開關(guān)速度主要決定于在兩邊中性區(qū)內(nèi)存儲的少數(shù)載流子，所以，從本質(zhì)上來說，也就是擴散電容對開關(guān)速度的影響。

總之，pn結(jié)的擴散電容與其勢壘電容不同。前者是少數(shù)載流子引起的電容，對于pn結(jié)的開關(guān)速度有很大影響，在正偏下起很大作用、在反偏下可以忽略，在低頻時很重要、在高頻時可以忽略;后者是多數(shù)載流子引起的電容，在反偏和正偏時都起作用，并且在低頻和高頻下都很重要。

電容是一種能儲存電荷(充電)和釋放電荷(放電)的元件

PN結(jié)電容包括勢壘電容和擴散電容.

PN結(jié)交界處存在勢壘區(qū).結(jié)兩端電壓變化引起積累在此區(qū)域的電荷數(shù)量的改變,從而顯現(xiàn)電容效應(yīng).

當(dāng)所加的正向電壓升高時,PN結(jié)變窄,空間電荷區(qū)變窄,結(jié)中空間電荷量減少,相當(dāng)于電容放電.同理,當(dāng)正向電壓減小時,PN結(jié)變寬,空間電荷區(qū)變寬,結(jié)中空間電荷量增加,相當(dāng)于電容充電.加反向電壓升高時,一方面會使耗盡區(qū)變寬,也相當(dāng)于對電容的充電.加反向電壓減少時,就是P區(qū)的空穴、N區(qū)的電子向耗盡區(qū)流,使耗盡區(qū)變窄,相當(dāng)于放電.。

PN結(jié)電容算法與平板電容相似,只是寬度會隨電壓變化。

在PN結(jié)反向偏置時，少子數(shù)量很少，電容效應(yīng)很少，也就可以不考慮了。在正向偏置時，P區(qū)中的電子，N區(qū)中的空穴，會伴著遠離勢壘區(qū)，數(shù)量逐漸減少。即離結(jié)近處，少子數(shù)量多，離結(jié)遠處，少子的數(shù)量少，有一定的濃度梯度。

正向電壓增加時，N區(qū)將有更多的電子擴散到P區(qū)，也就是P區(qū)中的少子----電子濃度、濃度梯度增加。同理正向電壓增加時，N區(qū)中的少子---空穴的濃度、濃度梯度也要增加。相反，正向電壓降低時，少子濃度就要減少。從而表現(xiàn)了電容的特性。

變?nèi)荻O管(Varactor Diodes)為特殊二極管的一種。當(dāng)外加順向偏壓時，有大量電流產(chǎn)生，PN(正負極)結(jié)的耗盡區(qū)變窄，電容變大，產(chǎn)生擴散電容效應(yīng);當(dāng)外加反向偏壓時，則會產(chǎn)生過渡電容效應(yīng)。但因加順向偏壓時會有漏電流的產(chǎn)生，所以在應(yīng)用上均供給反向偏壓。

變?nèi)荻O管也稱為壓控變?nèi)萜?，是根?jù)所提供的電壓變化而改變結(jié)電容的半導(dǎo)體。也就是說，作為可變電容器，可以被應(yīng)用于FM調(diào)諧器及TV調(diào)諧器等諧振電路和FM調(diào)制電路中。

其實我們可以把它看成一個PN結(jié)，我們想，如果在PN結(jié)上加一個反向電壓V(變?nèi)荻O管是反向來用的)，則N型半導(dǎo)體內(nèi)的電子被引向正極，P型半導(dǎo)體內(nèi)的空穴被引向負極，然后形成既沒有電子也沒有空穴的耗盡層，該耗盡層的寬度我們設(shè)為d，隨著反向電壓V的變化而變化。如此一來，反向電壓V增大，則耗盡層d變寬，二極管的電容量C就減少(根據(jù)C=kS/d)，而反向電壓減小，則耗盡層寬d變窄，二極管的電容量變大。反向電壓V的改變引起耗盡層的變化，從而改變了壓控變?nèi)萜鞯慕Y(jié)容量C。達到了目的。

變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)之間電容可變的原理制成的半導(dǎo)體器件，在高頻調(diào)諧、通信等電路中作可變電容器使用。

變?nèi)荻O管有玻璃外殼封裝(玻封)、塑料封裝(塑封)、金屬外殼封裝(金封)和無引線表面封裝等多種封裝形式、如圖4-18所示。通常，中小功率的變?nèi)荻O管采用玻封、塑封或表面封裝，而功率較大的變?nèi)荻O管多采用金封。常用變?nèi)荻O管參數(shù)。

勢壘電容(barrier capacitance)

在積累空間電荷的勢壘區(qū)，當(dāng)PN結(jié)外加電壓變化時，引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，即耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，這種現(xiàn)象與電容器的充、放電過程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容。

勢壘電容具有非線性，它與結(jié)面積、耗盡層寬度、半導(dǎo)體的介電常數(shù)及外加電壓有關(guān)。

勢壘電容是二極管的兩極間的等效電容組成部分之一，另一部分是擴散電容。

二極管的電容效應(yīng)在交流信號作用下才會表現(xiàn)出來。

勢壘電容在正偏和反偏時均不能忽略。而反向偏置時，由于少數(shù)載流子數(shù)目很少，可忽略擴散電容。

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補充說明:

勢壘電容是p-n結(jié)所具有的一種電容，即是p-n結(jié)空間電荷區(qū)(勢壘區(qū))的電容;由于勢壘區(qū)中存在較強的電場，其中的載流子基本上都被驅(qū)趕出去了--耗盡，則勢壘區(qū)可近似為耗盡層，故勢壘電容往往也稱為耗盡層電容。

耗盡層電容相當(dāng)于極板間距為p-n結(jié)耗盡層厚度(W)的平板電容，它與外加電壓V有關(guān) (正向電壓升高時，W減薄，電容增大;反向電壓升高時，W增厚，電容減小)。因為dV ≈ W · dE = W·(dQ/ε)，所以耗盡層電容為Cj = dQ/dV = ε/W。對于單邊突變p+-n結(jié)，有Cj = ( qεND / 2Vbi )1/2;對于線性緩變p-n結(jié)，有Cj = (q aε2 / 12Vbi)1/3。勢壘電容是一種與電壓有關(guān)的非線性電容，其電容的大小與p-n結(jié)面積、半導(dǎo)體介電常數(shù)和外加電壓有關(guān)。當(dāng)在p-n結(jié)正偏時，因有大量的載流子通過勢壘區(qū)，耗盡層近似不再成立，則通常的計算公式也不再適用;這時一般可近似認為:正偏時的勢壘電容等于0偏時的勢壘電容的4倍。不過，實際上p-n結(jié)在較大正偏時所表現(xiàn)出的電容，主要不是勢壘電容，而往往是所謂擴散電容。

值得注意的是，勢壘電容是相應(yīng)于多數(shù)載流子電荷變化的一種電容效應(yīng)，因此勢壘電容不管是在低頻、還是高頻下都將起到很大的作用(與此相反，擴散電容是相應(yīng)于少數(shù)載流子電荷變化的一種電容效應(yīng)，故在高頻下不起作用)。實際上，半導(dǎo)體器件的最高工作頻率往往就決定于勢壘電容。