干貨 | 聊聊二極管的電容效應(yīng)

我們平時(shí)在選型 TVS 二極管的時(shí)候會(huì)遇到一個(gè)寄生電容的參數(shù)，這個(gè)參數(shù)在一些通信類的接口中使用時(shí)，往往限制我們對(duì)于 TVS 二極管的選型。

并且這個(gè)寄生電容的大小也隨著 TVS 二極管的功率的大小呈正相關(guān)性。

那么，我們今天來聊一聊，二極管中的寄生電容是怎么產(chǎn)生的。

首先，二極管的電容效應(yīng)包括勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD兩個(gè)部分。

1. 勢壘電容CB(Cr)

在 PN 結(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，PN結(jié)空間內(nèi)缺少導(dǎo)電的載流子，其電導(dǎo)率很低，因此相當(dāng)于介質(zhì)。

而PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)，P區(qū)空穴多，N區(qū)電子多，因?yàn)閿U(kuò)散，會(huì)在中間形成內(nèi)建電場區(qū)。N區(qū)那邊失去電子帶正電荷，P區(qū)那邊得到電子帶負(fù)電荷。

由于N 區(qū)和 P區(qū)積累了電子和空穴，其導(dǎo)電率很高，相當(dāng)于金屬導(dǎo)體。從這一結(jié)構(gòu)來看，PN結(jié)等效于一個(gè)兩個(gè)極板的電容器。

當(dāng)PN結(jié)兩端加正向電壓時(shí)，PN 結(jié)導(dǎo)通，促進(jìn)了電流的形成，PN結(jié)區(qū)域變窄，結(jié)中空間電荷量減少，相當(dāng)于電容"放電"。

當(dāng)PN結(jié)兩端加反向電壓時(shí)， PN 結(jié)截止，PN結(jié)變寬，結(jié)中空間電荷量增多，相當(dāng)于電容"充電"。

這種現(xiàn)象可以用一個(gè)電容來模擬，我們稱之為勢壘電容。

這個(gè)勢壘電容的大小可以理論的計(jì)算一下：

當(dāng)外加電壓有△U 的變化時(shí)，電荷有△Q 的變化，假設(shè)兩邊的距離為 Xd 時(shí)。勢壘電容為：

利用勢壘電容和電壓的關(guān)系設(shè)計(jì)變?nèi)荻O管

勢壘電容與普通電容不同之處，在于它的電容量并非常數(shù)，而是與外加電壓有關(guān)。當(dāng)外加反向電壓增大時(shí)，勢壘電容減??；反向電壓減小時(shí)，勢壘電容增大，如下圖的特性曲線。

目前廣泛應(yīng)用的變?nèi)荻O管，就是利用PN結(jié)電容隨外加電壓變化的特性制成的。

2. 擴(kuò)散電容CD

當(dāng)給二極管加正向偏壓時(shí)，在 PN?結(jié)兩側(cè)的少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，都有一定的少數(shù)載流子的積累，而且它們的密度隨電壓而變化，形成一個(gè)附加的電容效應(yīng)，稱為擴(kuò)散電容。

當(dāng)PN結(jié)加上正向電壓，內(nèi)部電場區(qū)被削弱，因?yàn)闈舛炔町?，P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散。

擴(kuò)散的空穴和電子在內(nèi)部電場區(qū)相遇，會(huì)有部分空穴和電子復(fù)合而消失，也有部分沒有消失。沒有復(fù)合的空穴和電子穿過內(nèi)部電場區(qū)，空穴進(jìn)入N區(qū)，電子進(jìn)入P區(qū)。

進(jìn)入N區(qū)的空穴，并不是立馬和N區(qū)的多子-電子復(fù)合消失，而是在一定的距離內(nèi)，一部分繼續(xù)擴(kuò)散，一部分與N區(qū)的電子復(fù)合消失。

顯然，N區(qū)中靠近內(nèi)部電場區(qū)處的空穴濃度是最高的，距離N區(qū)越遠(yuǎn)，濃度越低，因?yàn)榭昭ú粩鄰?fù)合消失。同理，P區(qū)也是一樣，濃度隨著遠(yuǎn)離內(nèi)部電場區(qū)而逐漸降低?？傮w濃度分布如下圖所示。

當(dāng)外部電壓穩(wěn)定不變的時(shí)候，最終P區(qū)中的電子，N區(qū)中的空穴濃度也是穩(wěn)定的。

也就是說，P區(qū)中存儲(chǔ)了數(shù)量一定的電子，N區(qū)中存儲(chǔ)了數(shù)量一定的空穴。如果外部電壓不變，存儲(chǔ)的電子和空穴數(shù)量就不會(huì)發(fā)生變化，也就是說穩(wěn)定存儲(chǔ)了一定的電荷。

但是，如果電壓發(fā)生變化，比如正向電壓降低，電流減小，單位時(shí)間內(nèi)涌入N區(qū)中的空穴也會(huì)減小，這樣N區(qū)中空穴濃度必然會(huì)降低。同理，P區(qū)中電子濃度也降低。所以，穩(wěn)定后，存儲(chǔ)的電子和空穴的數(shù)量相比之前會(huì)更少，也就是說存儲(chǔ)的電荷就變少了。

因此，這里的擴(kuò)散電容是和加在二極管兩端的正向偏置電壓有關(guān)系的。

3. 總結(jié)一下

當(dāng)我們打開二極管的 Datasheet 時(shí)，看到的典型電容參數(shù)一般會(huì)指定測試條件，通常這個(gè)條件是1MHz，電壓為-4V（反偏）。

這是因?yàn)閯輭緦挾龋簿褪莾?nèi)建電場區(qū)的寬度，是與電壓相關(guān)的。所以說，不同的電壓下，勢壘電容的大小也是不同的。因此這個(gè)參數(shù)需要在確定的偏置電壓下進(jìn)行測量。

因此，我們把二極管的物理模型進(jìn)行簡化，通過一些線性器件進(jìn)行表達(dá)，簡化后的等效電路如下圖。

總之，二極管呈現(xiàn)出兩種電容，它的總電容Cj相當(dāng)于兩者的并聯(lián)，即：

Cj = CB + CD。

二極管正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容遠(yuǎn)大于勢壘電容 Cj ≈ CD ；

而反向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容可以忽略，勢壘電容起主要作用，Cj ≈ CB 。