什么是pn結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)介紹

采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)（英語：PN junction）。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，?a target="_blank">電子技術(shù)中許多器件所利用的特性，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)的形成

PN結(jié)是由一個N型摻雜區(qū)和一個P型摻雜區(qū)緊密接觸所構(gòu)成的，其接觸界面稱為冶金結(jié)界面。

在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，我們稱兩種半導(dǎo)體的交界面附近的區(qū)域為PN結(jié)。

在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)自由電子為多子空穴幾乎為零稱為少子，而P型區(qū)內(nèi)空穴為多子自由電子為少子，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差。由于自由電子和空穴濃度差的原因，有一些電子從N型區(qū)向P型區(qū)擴散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴散。它們擴散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。開路中半導(dǎo)體中的離子不能任意移動，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的薄厚和摻雜物濃度有關(guān)。

在空間電荷區(qū)形成后，由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)形成了內(nèi)電場，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負電的P區(qū)。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，阻止擴散。

另一方面，這個電場將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補充了原來交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補充了原來交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，內(nèi)電場減弱。因此，漂移運動的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，擴散運動加強。

最后，多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

pn結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)的電容效應(yīng)限制了二極管三極管的最高工作效率，PN結(jié)的電容效應(yīng)將導(dǎo)致反向時交流信號可以部分通過PN結(jié)，頻率越高則通過越多。

二極管，三極管反向的時候，PN結(jié)兩邊的N區(qū)和P區(qū)仍然是導(dǎo)電的，這樣兩個導(dǎo)電區(qū)就成了電容的兩個電極。從而構(gòu)成PN結(jié)的電容效應(yīng)。

為了減小這個電容，會減小PN結(jié)面積或增加PN結(jié)厚度，并且一般用勢壘電容，擴散電容來等效。

PN結(jié)的電容效應(yīng)——擴散電容

PN結(jié)正向?qū)щ姇r，多子擴散到對方區(qū)域后，在PN結(jié)邊界上積累，并有一定的濃度分布。積累的電荷量隨外加電壓的變化而變化，當(dāng)PN結(jié)正向電壓加大時，正向電流隨著加大，這就要求有更多的載流子積累起來以滿足電流加大的要求；而當(dāng)正向電壓減小時，正向電流減小，積累在P區(qū)的電子或N區(qū)的空穴就要相對減小，這樣，當(dāng)外加電壓變化時，有載流子的向PN結(jié)“充入”和“放出”。，PN結(jié)的擴散電容CD描述了積累在P區(qū)的電子或N區(qū)的空穴隨外加電壓的變化的電容效應(yīng)。

CD是非線性電容，PN結(jié)正偏時，CD較大，反偏時載流子數(shù)目很少，因此反偏時擴散電容數(shù)值很小。一般可以忽略。

PN結(jié)的電容效應(yīng)——勢壘電容

在一定條件下，PN結(jié)顯現(xiàn)出充放電的電容效應(yīng)。不同的工作情況下的電容效應(yīng)，分別用勢壘電容和擴散電容予以描述。

勢壘電容CB

勢壘電容CB描述了PN結(jié)勢壘區(qū)空間電荷隨電壓變化而產(chǎn)生的電容效應(yīng)。PN結(jié)的空間電荷隨外加電壓的變化而變化，當(dāng)外加電壓升高時，N區(qū)的電子和P區(qū)空穴進入耗盡區(qū)，相當(dāng)于電子和空穴分別向CB“充電”，如圖（a）所示。當(dāng)外加電壓降低時，又有電子和空穴離開耗盡區(qū)，好像電子和空穴從CB放電，如圖（b）所示。CB是非線性電容，電路上CB與結(jié)電阻并聯(lián)。在PN結(jié)反偏時結(jié)電阻很大，CB的作用不能忽視，特別是在高頻時，它對電路有較大的影響。