pn結(jié)電容
一塊半導(dǎo)體晶體一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體,另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體,中間二者相連的接觸面稱為PN結(jié)(英語:pn junction)。PN結(jié)是電子技術(shù)中許多元件,例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。PN結(jié)電容分為兩部分,勢壘電容和擴(kuò)散電容。
勢壘電容
我們知道,P區(qū)空穴多,N區(qū)電子多,因為擴(kuò)散,會在中間形成內(nèi)建電場區(qū)。N區(qū)那邊失去電子帶正電荷,P區(qū)那邊得到電子帶負(fù)電荷。
當(dāng)給PN結(jié)加上穩(wěn)定的電壓,那么穩(wěn)定后,內(nèi)建電場區(qū)的厚度也會穩(wěn)定為一個值,也就是說內(nèi)部電荷一定。如果PN結(jié)上的電壓向反偏的方向增大,那么內(nèi)建電場區(qū)厚度也增加,即內(nèi)部電荷增多。反之,如果電壓減小,那么內(nèi)部電荷減少。
PN結(jié)兩端電壓變化,引起積累在中間區(qū)域的電荷數(shù)量的改變,從而呈現(xiàn)電容效應(yīng),這個電容就是勢壘電容。
勢壘寬度,也就是內(nèi)建電場區(qū)的寬度,是與電壓相關(guān)的。所以說,不同的電壓下,勢壘電容的大小也是不同的。
二極管在反偏時,勢壘電容起主要作用,而正偏時,擴(kuò)散電容起主要作用。
擴(kuò)散電容
當(dāng)有外加正向偏壓時,在 p-n 結(jié)兩側(cè)的少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi),都有一定的少數(shù)載流子的積累,而且它們的密度隨電壓而變化,形成一個附加的電容效應(yīng),稱為擴(kuò)散電容。
當(dāng)PN結(jié)加上正向電壓,內(nèi)部電場區(qū)被削弱,因為濃度差異,P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散,N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散。
擴(kuò)散的空穴和電子在內(nèi)部電場區(qū)相遇,會有部分空穴和電子復(fù)合而消失,也有部分沒有消失。沒有復(fù)合的空穴和電子穿過內(nèi)部電場區(qū),空穴進(jìn)入N區(qū),電子進(jìn)入P區(qū)。
進(jìn)入N區(qū)的空穴,并不是立馬和N區(qū)的多子-電子復(fù)合消失,而是在一定的距離內(nèi),一部分繼續(xù)擴(kuò)散,一部分與N區(qū)的電子復(fù)合消失。
顯然,N區(qū)中靠近內(nèi)部電場區(qū)處的空穴濃度是最高的,距離N區(qū)越遠(yuǎn),濃度越低,因為空穴不斷復(fù)合消失。同理,P區(qū)也是一樣,濃度隨著遠(yuǎn)離內(nèi)部電場區(qū)而逐漸降低。
當(dāng)外部電壓穩(wěn)定不變的時候,最終P區(qū)中的電子,N區(qū)中的空穴濃度也是穩(wěn)定的。也就是說,P區(qū)中存儲了數(shù)量一定的電子,N區(qū)中存儲了數(shù)量一定的空穴。如果外部電壓不變,存儲的電子和空穴數(shù)量就不會發(fā)生變化,也就是說穩(wěn)定存儲了一定的電荷。
但是,如果電壓發(fā)生變化,比如正向電壓降低,電流減小,單位時間內(nèi)涌入N區(qū)中的空穴也會減小,這樣N區(qū)中空穴濃度必然會降低。同理,P區(qū)中電子濃度也降低。所以,穩(wěn)定后,存儲的電子和空穴的數(shù)量想比之前會更少,也就是說存儲的電荷就變少了。
電壓變化,存儲的電荷量也發(fā)生了變化,跟電容的表現(xiàn)一模一樣,這電容就是擴(kuò)散電容了。
勢壘電容與擴(kuò)散電容區(qū)別
聯(lián)系:兩者都具有電容效應(yīng)
區(qū)別:勢壘電容是由于空間電荷區(qū)的寬窄變化來產(chǎn)生的,而正偏的時候空間電荷區(qū)很窄,勢壘電容很小,近似可以忽略,即勢壘電容主要產(chǎn)生在pn結(jié)反偏時期;擴(kuò)散電容是靠非平衡少子的擴(kuò)散運(yùn)動形成的濃度梯度產(chǎn)生的,反偏時主要是平衡少子在運(yùn)動,耗盡層的寬度很寬,內(nèi)建電場限制著非平衡少子的擴(kuò)散運(yùn)動,基本可以忽略,因此擴(kuò)散運(yùn)動主要產(chǎn)生在pn接正偏時期。
mos結(jié)電容
是半導(dǎo)體,就有PN結(jié),有PN結(jié),就有結(jié)電容。
盡管結(jié)電容的容量非常小,對電路穩(wěn)定性的影響卻是不容忽視的,處理不當(dāng)往往會引起高頻自激振蕩。更為不利的是,柵控器件的驅(qū)動本來只需要一個控制電壓而不需要控制功率,但是工作頻率比較高的時候,結(jié)電容的存在會消耗可觀的驅(qū)動功率,頻率越高,消耗的功率越大。
這也就是我們通常認(rèn)為,MOSFET的GS兩極之間是一個高阻值的電阻,但是在設(shè)計開關(guān)電源的時候,我們通常需要加粗Gate極的PCB走線。保障在開關(guān)的過程中,驅(qū)動MOSFET的瞬間電流比較大,有足夠的通流能力。這正是因為極間等效電容的存在。
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