勢(shì)壘電容

當(dāng)加在結(jié)兩端的電壓發(fā)生變化時(shí)，一方面使結(jié)勢(shì)壘度發(fā)生變化，引起了勢(shì)壘區(qū)內(nèi)空間電荷的變化，這相當(dāng)于對(duì)電容的充放電，因?yàn)樗莿?shì)壘度的變化引起電容量的變化的，所以我們用勢(shì)壘電容CT來表示這種作用;另一方面也使注入到p區(qū)的電子和注入到n區(qū)空穴數(shù)目發(fā)生變化，引起p區(qū)和n區(qū)的載流子濃度梯度的變化。為維持電中性條件，多數(shù)載流子也要作相應(yīng)的變化，相當(dāng)于載流子在擴(kuò)散區(qū)中的"充"和"放"，就如同電容的充放電一樣。因?yàn)樗窃跀U(kuò)散去內(nèi)載流自變化引起的.故稱為擴(kuò)散電容，用CD表示。P-N結(jié)電容包括勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容兩部分:C=CT+CD

當(dāng)結(jié)兩端的外加電時(shí)為負(fù)(即n區(qū)為正，p區(qū)接負(fù))時(shí)，由于P區(qū)、n區(qū)的少數(shù)載流子很少，負(fù)電壓的變化并不引起p區(qū)、n區(qū)中電荷有多大的變化，所以擴(kuò)散電容很小，相對(duì)勢(shì)壘電容來講，擴(kuò)散電容可以忽略。即:

C=CT+CD≈CT

所以，在外加負(fù)偏壓的條件下測(cè)得的P-n結(jié)電容認(rèn)為是P-n結(jié)勢(shì)壘電容。

在集成電路中，一般利用PN結(jié)的勢(shì)壘電容，即讓PN結(jié)反偏，只是改變電壓的大小，而不改變極性。---變?nèi)荻?jí)管。

變?nèi)荻O管的工作原理

根據(jù)普通二極管內(nèi)部PN結(jié)結(jié)電容能隨外加反向電壓的變化而變化。

變?nèi)荻?jí)管用途:用于自動(dòng)頻率控制(AFC)和調(diào)諧用的小功率二極管，在無繩電話機(jī)中主要用在手機(jī)或座機(jī)的高頻調(diào)制電流上，實(shí)現(xiàn)低頻率信號(hào)調(diào)制到高頻信號(hào)上，并發(fā)射出去。

變?nèi)荻?jí)管發(fā)生故障，主要表現(xiàn)為漏電或性能變差:

1) 發(fā)生漏電現(xiàn)象時(shí)，高頻調(diào)制電路將不工作或調(diào)制性能變差。

2) 變?nèi)菪阅茏儾顣r(shí)，高頻調(diào)制電路的工作不穩(wěn)定，使調(diào)制后的高頻信號(hào)發(fā)送到對(duì)方，被對(duì)方接收后產(chǎn)生失真。

3) 出現(xiàn)上述情況之一時(shí)，就應(yīng)該更換同型號(hào)的變?nèi)荻?jí)管。

勢(shì)壘電容(barrier capacitance)

在積累空間電荷的勢(shì)壘區(qū)，當(dāng)PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，即耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，這種現(xiàn)象與電容器的充、放電過程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢(shì)壘電容。

勢(shì)壘電容具有非線性，它與結(jié)面積、耗盡層寬度、半導(dǎo)體的介電常數(shù)及外加電壓有關(guān)。

勢(shì)壘電容是二極管的兩極間的等效電容組成部分之一，另一部分是擴(kuò)散電容。

二極管的電容效應(yīng)在交流信號(hào)作用下才會(huì)表現(xiàn)出來。

勢(shì)壘電容在正偏和反偏時(shí)均不能忽略。而反向偏置時(shí)，由于少數(shù)載流子數(shù)目很少，可忽略擴(kuò)散電容。

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補(bǔ)充說明:

勢(shì)壘電容是p-n結(jié)所具有的一種電容，即是p-n結(jié)空間電荷區(qū)(勢(shì)壘區(qū))的電容;由于勢(shì)壘區(qū)中存在較強(qiáng)的電場(chǎng)，其中的載流子基本上都被驅(qū)趕出去了--耗盡，則勢(shì)壘區(qū)可近似為耗盡層，故勢(shì)壘電容往往也稱為耗盡層電容。

耗盡層電容相當(dāng)于極板間距為p-n結(jié)耗盡層厚度(W)的平板電容，它與外加電壓V有關(guān) (正向電壓升高時(shí)，W減薄，電容增大;反向電壓升高時(shí)，W增厚，電容減小)。因?yàn)閐V ≈ W · dE = W·(dQ/ε)，所以耗盡層電容為Cj = dQ/dV = ε/W。對(duì)于單邊突變p+-n結(jié)，有Cj = ( qεND / 2Vbi )1/2;對(duì)于線性緩變p-n結(jié)，有Cj = (q aε2 / 12Vbi)1/3。勢(shì)壘電容是一種與電壓有關(guān)的非線性電容，其電容的大小與p-n結(jié)面積、半導(dǎo)體介電常數(shù)和外加電壓有關(guān)。當(dāng)在p-n結(jié)正偏時(shí)，因有大量的載流子通過勢(shì)壘區(qū)，耗盡層近似不再成立，則通常的計(jì)算公式也不再適用;這時(shí)一般可近似認(rèn)為:正偏時(shí)的勢(shì)壘電容等于0偏時(shí)的勢(shì)壘電容的4倍。不過，實(shí)際上p-n結(jié)在較大正偏時(shí)所表現(xiàn)出的電容，主要不是勢(shì)壘電容，而往往是所謂擴(kuò)散電容。

值得注意的是，勢(shì)壘電容是相應(yīng)于多數(shù)載流子電荷變化的一種電容效應(yīng)，因此勢(shì)壘電容不管是在低頻、還是高頻下都將起到很大的作用(與此相反，擴(kuò)散電容是相應(yīng)于少數(shù)載流子電荷變化的一種電容效應(yīng)，故在高頻下不起作用)。實(shí)際上，半導(dǎo)體器件的最高工作頻率往往就決定于勢(shì)壘電容。

密勒電容對(duì)器件的頻率特性有直接的影響:

在共射(CE)組態(tài)中，集電結(jié)電容勢(shì)壘電容正好是密勒電容，故CE組態(tài)的工作頻率較低。而在共基極(CB)組態(tài)中，集電結(jié)和發(fā)射結(jié)的勢(shì)壘電容都不是密勒電容，故CB組態(tài)的頻率特性較好，工作頻率高、頻帶寬。因此，把CE與CB組態(tài)結(jié)合起來，即可既提高了增益(CE的作用)，又改善了頻率特性(CB的作用)。對(duì)于由CC和CE組態(tài)構(gòu)成的達(dá)林頓管，情況與CE組態(tài)相同，故頻率特性較差。而對(duì)于CC-CE復(fù)合管，因?yàn)槿サ袅嗣芾针娙?，故頻率特性較好。

MOSFET的輸出電容是柵極與漏極之間的覆蓋電容Cdg。在共源組態(tài)中，Cdg正好跨接在輸入端(柵極)與輸出端(漏極)之間，故密勒效應(yīng)使得等效輸入電容增大，導(dǎo)致頻率特性降低。在共柵極組態(tài)中，Cdg不是密勒電容，故頻率特性較好。對(duì)于MOSFET的共源-共柵組態(tài)，則既提高了增益(等于兩級(jí)增益的乘積，共源組態(tài)起主要作用)，又改善頻率特性(共柵極組態(tài)起主要作用)，從而可實(shí)現(xiàn)高增益、高速度和寬頻帶。