扩散电容电容效应

电容是一种能储存电荷(充电)和释放电荷(放电)的元件

PN结电容包括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,PN结变窄,空间电荷区变窄,结中空间电荷量减少,相当于电容放电.同理,当正向电压减小时,PN结变宽,空间电荷区变宽,结中空间电荷量增加,相当于电容充电.加反向电压升高时,一方面会使耗尽区变宽,也相当于对电容的充电.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,相当于放电.。

PN结电容算法与平板电容相似,只是宽度会随电压变化。

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。

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(Diffusion capacitance)是p-n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少数载流子(简称非平衡少子)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<<1, ωτ<<1)、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 >>1, ωτ>>1)、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)1/2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。

变容二极管(Varactor Diodes)为特殊二极管的一种。当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN(正负极)结的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应;当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。

变容二极管也称为压控变容器，是根据所提供的电压变化而改变结电容的半导体。也就是说，作为可变电容器，可以被应用于FM调谐器及TV调谐器等谐振电路和FM调制电路中。

其实我们可以把它看成一个PN结，我们想，如果在PN结上加一个反向电压V(变容二极管是反向来用的)，则N型半导体内的电子被引向正极，P型半导体内的空穴被引向负极，然后形成既没有电子也没有空穴的耗尽层，该耗尽层的宽度我们设为d，随着反向电压V的变化而变化。如此一来，反向电压V增大，则耗尽层d变宽，二极管的电容量C就减少(根据C=kS/d)，而反向电压减小，则耗尽层宽d变窄，二极管的电容量变大。反向电压V的改变引起耗尽层的变化，从而改变了压控变容器的结容量C。达到了目的。

变容二极管是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。

变容二极管有玻璃外壳封装(玻封)、塑料封装(塑封)、金属外壳封装(金封)和无引线表面封装等多种封装形式、如图4-18所示。通常，中小功率的变容二极管采用玻封、塑封或表面封装，而功率较大的变容二极管多采用金封。常用变容二极管参数。

势垒电容(barrier capacitance)

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。

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补充说明:

势垒电容是p-n结所具有的一种电容，即是p-n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p-n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·(dQ/ε)，所以耗尽层电容为Cj = dQ/dV = ε/W。对于单边突变p+-n结，有Cj = ( qεND / 2Vbi )1/2;对于线性缓变p-n结，有Cj = (q aε2 / 12Vbi)1/3。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p-n结面积、半导体介电常数和外加电压有关。当在p-n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0偏时的势垒电容的4倍。不过，实际上p-n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。