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PN结电容详解pn结电容.doc

PN结电容详解pn结电容

清清河畔
2018-09-07 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《PN结电容详解pn结电容doc》,可适用于工程科技领域

PN结电容PN结电容分为两部分势垒电容和扩散电容。  PN结交界处存在势垒区。结两端电压变化引起积累在此区域的电荷数量的改变从而显现电容效应。  当所加的正向电压升高时多子(N区的电子、P区的空穴)进入耗尽区相当于对电容充电。当正向电压减小时又会有电子、空穴从耗尽区分别流入N区、P区相当于电容放电。加反向电压升高时一方面会使耗尽区变宽会使P区的空穴进一步远离耗尽区也相当于对电容的放电。加反向电压减少时就是P区的空穴、N区的电子向耗尽区流使耗尽区变窄相当于充电。  PN结电容算法与平板电容相似只是宽度会随电压变化。  下面再看扩散电容。  PN结势垒电容主要研究的是多子是由多子数量的变化引起电容的变化。而扩散电容研究的是少子。  在PN结反向偏置时少子数量很少电容效应很少也就可以不考虑了。在正向偏置时P区中的电子N区中的空穴会伴着远离势垒区数量逐渐减少。即离结近处少子数量多离结远处少子的数量少有一定的浓度梯度。  正向电压增加时N区将有更多的电子扩散到P区也就是P区中的少子电子浓度、浓度梯度增加。同理正向电压增加时N区中的少子空穴的浓度、浓度梯度也要增加。相反正向电压降低时少子浓度就要减少。从而表现了电容的特性。  PN结反向偏置时电阻大电容小主要为势垒电容。正向偏置时电容大取决于扩散电容电阻小。频率越高电容效应越显著。  在集成电路中一般利用PN结的势垒电容即让PN结反偏只是改变电压的大小而不改变极性。势垒电容  在积累空间电荷的势垒区当PN结外加电压变化时引起积累在势垒区的空间电荷的变化即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少这种现象与电容器的充、放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。  势垒电容具有非线性它与结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。  势垒电容是二极管的两极间的等效电容组成部分之一另一部分是扩散电容。  二极管的电容效应在交流信号作用下才会表现出来。  势垒电容在正偏和反偏时均不能忽略。而反向偏置时由于少数载流子数目很少可忽略扩散电容。  补充说明:  势垒电容是pn结所具有的一种电容即是pn结空间电荷区(势垒区)的电容由于势垒区中存在较强的电场其中的载流子基本上都被驱赶出去了耗尽则势垒区可近似为耗尽层故势垒电容往往也称为耗尽层电容。  耗尽层电容相当于极板间距为pn结耗尽层厚度(W)的平板电容它与外加电压V有关(正向电压升高时W减薄电容增大反向电压升高时W增厚电容减小)。因为dV≈W·dE=W·(dQε)所以耗尽层电容为Cj=dQdV=εW。对于单边突变pn结有Cj=(qεNDVbi)对于线性缓变pn结有Cj=(qaεVbi)。势垒电容是一种与电压有关的非线性电容其电容的大小与pn结面积、半导体介电常数和外加电压有关。当在pn结正偏时因有大量的载流子通过势垒区耗尽层近似不再成立则通常的计算公式也不再适用这时一般可近似认为:正偏时的势垒电容等于偏时的势垒电容的倍。不过实际上pn结在较大正偏时所表现出的电容主要不是势垒电容而往往是所谓扩散电容。  值得注意的是势垒电容是相应于多数载流子电荷变化的一种电容效应因此势垒电容不管是在低频、还是高频下都将起到很大的作用(与此相反扩散电容是相应于少数载流子电荷变化的一种电容效应故在高频下不起作用)。实际上半导体器件的最高工作频率往往就决定于势垒电容。扩散电容  为了形成正向电流(扩散电流)注入P区的电子在P区有浓度差越靠近PN结浓度越大即在P区有电子的积累。同理在N区有空穴的积累。  扩散电容是二极管结电容的组成部分之一另一部分是势垒电容。  二极管的电容效应在交流信号作用下才会表现出来。  反向偏置时由于少数载流子数目很少可忽略扩散电容。而势垒电容在正偏和反偏时均不能忽略。  补充说明:  扩散电容(Diffusioncapacitance)是pn结在正偏时所表现出的一种微分电容效应。pn结扩散电容是来自于非平衡载少数流子在pn结两边的中性区内的电荷存储所造成的电容效应(因为在中性扩散区内存储有等量的非平衡电子和非平衡空穴的电荷它们的数量受到结电压控制)。这种由于注入载流子存储电荷随着电压变化所产生的扩散电容将随正向电压而按指数式增大扩散电容也与直流偏压有关(也是一种非线性电容)也将随着直流偏压的增大而指数式增大故扩散电容在正向偏压下比较大。  另外由于pn结扩散电容与少数载流子的积累有关而少数载流子的产生与复合都需要一个时间(称为寿命τ)过程所以扩散电容在高频下基本上不起作用。这就是说扩散电容还与外加结电压的信号频率ω有关并从而常常用乘积(ωτ)的大小来划分器件工作频率的高低:在低频(ωτ<<,ωτ<<)、即外加信号的变化周期>>存储电荷再分布的时间时少数载流子存储电荷的变化跟得上外加信号的变化,则扩散电容较大在高频(ωτ>>,ωτ>>)、即存储电荷跟不上外加信号的变化时,扩散电容很小(随着(ωτ)下降)故扩散电容在低频下很重要。  因为pn结的开关速度主要决定于在两边中性区内存储的少数载流子所以从本质上来说也就是扩散电容对开关速度的影响。  总之pn结的扩散电容与其势垒电容不同。前者是少数载流子引起的电容对于pn结的开关速度有很大影响在正偏下起很大作用、在反偏下可以忽略在低频时很重要、在高频时可以忽略后者是多数载流子引起的电容在反偏和正偏时都起作用并且在低频和高频下都很重要。扩散电容二极管正向导电时多子扩散到对方区域后在PN结边界上积累并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压的变化而变化当PN结正向电压加大时正向电流随着加大这就要有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求而当正向电压减小时正向电流减小积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小这样就相应地要有载流子的“充入”和“放出”。因此积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化就可PN结的扩散电容Cd描述。扩散电容反映了在外加电压作用下载流子在扩散过程中积累的情况。    扩散区内电荷的积累和释放过程与电容器充、放电过程相同这种电容效应称为扩散电容Cd。  势垒电容与扩散电容之和为PN结的结电容Cj低频时其作用忽略不计只在信号频率较高时才考虑结电容的作用。当PN结外加电压变化时空间电荷区的宽度将随之变化即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少这种现象与电容器的充、放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb当外加电压使PN结上压降发生变化时,空间电荷区的宽度相应改变。势垒电容Cb和扩散电容Cd均是非线性电容,值一般都很小,它们之和称为PN结的结电容,记为Cj二极管正向导电时电子扩散到对方区域后在PN结边界上积累并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压的变化而变化当PN结正向电压加大时正向电流随着加大这就要有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求而当正向电压减小时正向电流减小积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小这样就相应地要有载流子的“充入”和“放出”。因此积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化就可PN结的扩散电容Cd描述。扩散电容反映了在外加电压作用下载流子在扩散过程中积累的情况。扩散区内电荷的积累和释放过程与电容器充、放电过程相同这种电容效应称为扩散电容Cd。势垒电容与扩散电容之和为PN结的结电容Cj低频时其作用忽略不计只在信号频率较高时才考虑结电容的作用扩散电容  为了形成正向电流(扩散电流)注入P区的电子在P区有浓度差越靠近PN结浓度越大即在P区有电子的积累。同理在N区有空穴的积累。  扩散电容是二极管结电容的组成部分之一另一部分是势垒电容。  二极管的电容效应在交流信号作用下才会表现出来。  反向偏置时由于少数载流子数目很少可忽略扩散电容。而势垒电容在正偏和反偏时均不能忽略。  补充说明:  扩散电容(Diffusioncapacitance)是pn结在正偏时所表现出的一种微分电容效应。  pn结扩散电容是来自于非平衡载少数流子在pn结两边的中性区内的电荷存储所造成的电容效应(因为在中性扩散区内存储有等量的非平衡电子和非平衡空穴的电荷它们的数量受到结电压控制)。这种由于注入载流子存储电荷随着电压变化所产生的扩散电容将随正向电压而按指数式增大扩散电容也与直流偏压有关(也是一种非线性电容)也将随着直流偏压的增大而指数式增大故扩散电容在正向偏压下比较大。  另外由于pn结扩散电容与少数载流子的积累有关而少数载流子的产生与复合都需要一个时间(称为寿命τ)过程所以扩散电容在高频下基本上不起作用。这就是说扩散电容还与外加结电压的信号频率ω有关并从而常常用乘积(ωτ)的大小来划分器件工作频率的高低:在低频(ωτ<<,ωτ<<)、即外加信号的变化周期>>存储电荷再分布的时间时少数载流子存储电荷的变化跟得上外加信号的变化,则扩散电容较大在高频(ωτ>>,ωτ>>)、即存储电荷跟不上外加信号的变化时,扩散电容很小(随着(ωτ)下降)故扩散电容在低频下很重要。  因为pn结的开关速度主要决定于在两边中性区内存储的少数载流子所以从本质上来说也就是扩散电容对开关速度的影响。  总之pn结的扩散电容与其势垒电容不同。前者是少数载流子引起的电容对于pn结的开关速度有很大影响在正偏下起很大作用、在反偏下可以忽略在低频时很重要、在高频时可以忽略后者是多数载流子引起的电容在反偏和正偏时都起作用并且在低频和高频下都很重要。

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