PN结的电容效应：势垒电容与扩散电容详解
PN结的电容效应：势垒电容与扩散电容详解
PN结是半导体器件中最基本的结构单元之一，广泛应用于二极管、晶体管等电子元件中。在实际应用中，PN结不仅具有整流特性，还表现出电容效应，这种效应在高频电路中尤为重要。本文将详细介绍PN结的两种主要电容效应：势垒电容和扩散电容。
势垒电容
当PN结外加反向电压时，空间电荷区（即耗尽层）的宽度会发生变化。随着外加电压的增大或减小，耗尽层中的电荷量也会相应地增大或减小，这一过程与电容器的充放电过程非常相似。这种由耗尽层宽窄变化所等效的电容被称为势垒电容（Cb）。
势垒电容具有非线性特性，其大小取决于结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数以及外加电压。对于一个已制作完成的PN结，势垒电容与外加电压的关系如图所示。利用PN结在反向电压下势垒电容随电压变化的特性，可以制造出各种变容二极管。
扩散电容
在PN结处于平衡状态时，P区和N区的少子（即空穴和自由电子）被称为平衡少子。当PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子被称为非平衡少子。
当外加正向电压一定时，在靠近耗尽层交界面的地方，非平衡少子的浓度较高，而远离交界面的地方浓度较低，形成一定的浓度梯度。这种浓度差导致了扩散电流的产生。当外加正向电压增大时，非平衡少子的浓度和浓度梯度都会增大，从而导致扩散电流增大；反之，当外加正向电压减小时，扩散电流会减小。
图1.1.10展示了不同正向电压下P区少子浓度的分布情况。各曲线与np=np0所对应的水平线之间的面积代表了非平衡少子在扩散区域的数目。当外加电压增大时，曲线由1变为2，非平衡少子数目增多；当外加电压减小时，曲线由1变为3，非平衡少子数目减少。扩散区内，电荷的累积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）。
扩散电容同样具有非线性特性，其大小与流过PN结的正向电流、温度的电压当量（UT）以及非平衡少子的寿命（τ）有关。具体来说，正向电流越大、非平衡少子寿命越长、温度电压当量越小，扩散电容就越大。
PN结的总电容
PN结的结电容（Cj）是势垒电容（Cb）和扩散电容（Cd）之和，即：
Cj = Cb + Cd
由于势垒电容和扩散电容通常都很小（结面积小的约为1皮法，结面积大的为几十至几百皮法），在低频信号下呈现出很大的容抗，因此在低频电路中其作用可以忽略不计。然而，在高频电路中，结电容的影响变得显著，需要特别考虑。