Диффузионная ёмкость в полупроводниках: что это такое, как возникает при переносе зарядов в диодах и транзисторах, и как она связана с изменением напряжения.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Диффузионная ёмкость – это ёмкость, возникающая вследствие переноса носителей заряда между двумя выводами устройства, например, диффузия носителей от анода к катоду в прямом смещении диода или от эмиттера к базе в прямом переходе транзистора. В полупроводниковом приборе с протекающим через него током (например, непрерывным переносом заряда посредством диффузии) в определённый момент времени в процессе прохождения через прибор обязательно присутствует некоторое количество заряда в движении. Если приложенное напряжение изменяется до другого значения, а ток изменяется до другого значения, то в новых условиях в движении будет находиться иное количество заряда. Изменение количества заряда в движении, делённое на изменение вызывающего его напряжения, и есть диффузионная ёмкость. Прилагательное "диффузионная" используется, поскольку первоначальное применение этого термина относилось к переходам диодов, где перенос заряда осуществлялся посредством диффузионного механизма. См. законы диффузии Фика. Чтобы количественно определить это понятие, пусть в определённый момент времени напряжение на приборе будет . Теперь предположим, что напряжение изменяется со временем достаточно медленно, чтобы в каждый момент времени ток был равен постоянному току, который протекал бы при этом напряжении, скажем (квазистатическое приближение). Предположим далее, что время прохождения через прибор равно времени прямого пролёта. В этом случае количество заряда, находящегося в движении через прибор в данный момент, обозначенное , определяется следующим образом:
Diffusion Capacitance is the capacitance that happens due to transport of charge carriers between two terminals of a device, for example, the diffusion of carriers from anode to cathode in a forward biased diode or from emitter to base in a forward biased junction of a transistor. In a semiconductor device with a current flowing through it (for example, an ongoing transport of charge by diffusion) at a particular moment there is necessarily some charge in the process of transit through the device. If the applied voltage changes to a different value and the current changes to a different value, a different amount of charge will be in transit in the new circumstances. The change in the amount of transiting charge divided by the change in the voltage causing it is the diffusion capacitance. The adjective "diffusion" is used because the original use of this term was for junction diodes, where the charge transport was via the diffusion mechanism. See Fick's laws of diffusion. To implement this notion quantitatively, at a particular moment in time let the voltage across the device be Now assume that the voltage changes with time slowly enough that at each moment the current is the same as the DC current that would flow at that voltage, say (the quasistatic approximation). Suppose further that the time to cross the device is the forward transit time In this case the amount of charge in transit through the device at this particular moment, denoted , is given by
Следовательно, соответствующая диффузионная ёмкость: равна
Consequently, the corresponding diffusion capacitance:. is
В случае, если квазистатическое приближение не выполняется, то есть при очень быстрых изменениях напряжения, происходящих за время, меньшее времени пролёта , необходимо решать уравнения, описывающие зависящий от времени перенос в приборе, чтобы найти заряд в движении, например, уравнение Больцмана. Эта задача является предметом продолжающихся исследований в области неквазистатических эффектов. См. Лю, и Гилденблат и др.
In the event the quasi static approximation does not hold, that is, for very fast voltage changes occurring in times shorter than the transit time , the equations governing time dependent transport in the device must be solved to find the charge in transit, for example the Boltzmann equation. That problem is a subject of continuing research under the topic of non quasistatic effects. See Liu
, and Gildenblat et al.