什么是pn结的电容效应

PN结介绍

采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结（英语：PN junction）。PN结具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。

PN结的形成

PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的，其接触界面称为冶金结界面。

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。

在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内自由电子为多子空穴几乎为零称为少子，而P型区内空穴为多子自由电子为少子，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。由于自由电子和空穴浓度差的原因，有一些电子从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。开路中半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个空间电荷区，空间电荷区的薄厚和掺杂物浓度有关。

在空间电荷区形成后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区形成了内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，阻止扩散。

另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电场减弱。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，扩散运动加强。

最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

pn结的电容效应

PN结的电容效应限制了二极管三极管的最高工作效率，PN结的电容效应将导致反向时交流信号可以部分通过PN结，频率越高则通过越多。

二极管，三极管反向的时候，PN结两边的N区和P区仍然是导电的，这样两个导电区就成了电容的两个电极。从而构成PN结的电容效应。

为了减小这个电容，会减小PN结面积或增加PN结厚度，并且一般用势垒电容，扩散电容来等效。

PN结的电容效应——扩散电容

PN结正向导电时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界上积累，并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压的变化而变化，当PN结正向电压加大时，正向电流随着加大，这就要求有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求；而当正向电压减小时，正向电流减小，积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小，这样，当外加电压变化时，有载流子的向PN结“充入”和“放出”。，PN结的扩散电容CD描述了积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化的电容效应。

CD是非线性电容，PN结正偏时，CD较大，反偏时载流子数目很少，因此反偏时扩散电容数值很小。一般可以忽略。

PN结的电容效应——势垒电容

在一定条件下，PN结显现出充放电的电容效应。不同的工作情况下的电容效应，分别用势垒电容和扩散电容予以描述。

势垒电容CB

势垒电容CB描述了PN结势垒区空间电荷随电压变化而产生的电容效应。PN结的空间电荷随外加电压的变化而变化，当外加电压升高时，N区的电子和P区空穴进入耗尽区，相当于电子和空穴分别向CB“充电”，如图（a）所示。当外加电压降低时，又有电子和空穴离开耗尽区，好像电子和空穴从CB放电，如图（b）所示。CB是非线性电容，电路上CB与结电阻并联。在PN结反偏时结电阻很大，CB的作用不能忽视，特别是在高频时，它对电路有较大的影响。