Sperrschichtkapazität
Einleitung
Werden P- und N-dotierter Halbleiter zusammengefügt, bildet sich ein sogenannter PN-Übergang.
Hierbei rekombinieren die Ladungsträger (freie Elektronen & freie Löcher) an der Grenze und bilden die sogenannte Raumladungszone.
In der Raumladungszone befinden sich ideal keine Ladungsträger. Außerhalb der Raumladungszone aber schon.
Hierdurch ergibt sich ein Aufbau, welcher dem des Plattenkondensators gleicht.
Es ergibt sich also eine Kapazität – die sogenannte Sperrschichtkapazität.
Erklärung der Sperrschichtkapazität
Die Sperrschichtkapazität tritt bei der Diode / PN-Übergang auf, wenn dieser in Sperrrichtung betrieben wird.
Der PN-Übergang / die Diode kann hier in 3 Bereiche unterteilt werden. Raumladungszone und die beiden neutralen Bereiche.
In den neutralen Bereichen halten sich die freien Ladungsträger auf. Während die Raumladungszone (RLZ) keine freien Ladungsträger enthält.
⇨ PN-Übergang
Der Aufbau gleicht dem eines klassischen Plattenkondensators. Die neutralen Bereiche sind die Platten und die Raumladungszone RLZ ist das Dielektrikum.
⇨ Kondensator
Sperrspannung – Sperrschichtkapazität
Steigt nun die Sperrspannung an, wächst auch die Raumladungszone an.
Für die Sperrschichtkapazität bedeutet dies, dass die Platten des Plattenkondensators weiter auseinandergezogen werden.
Das wiederum bedeutet, dass die Kapazität – sinkt.
Zusammenfassung: Steigt die Sperrspannung an, sinkt die Sperrschichtkapazität.
Die Sperrschichtkapazität liegt typischerweise im Bereich von einigen pF bis ca 1 nF. Der Zusammenhang ist umgekehrt proportional zur Wurzel der Sperrspannung.
Einfluss der Dotierkonzentration
Eine hohe Dotierkonzentration führt zu einer sehr geringen Sperrschichtdicke und zu hohen Feldstärken im Bereich der Sperrschicht.
Bei der hohen Dotierkonzentration sind viele Ladungsträger und viele ionisierte Störstellen im Halbleiter verfügbar. Entsprechend auch an der Grenze. Rekombinieren diese ist schon nach kurzem die Diffusionsspannung aufgebaut.
Im unten stehenden Bild ist einmal die Diode mit niedriger Dotierkonzentration und einmal mit starker Dotierkonzentration dargestellt. Beide Dioden befinden sich im thermischen Gleichgewicht.
Die Diode mit schwacher Dotierkonzentration weist eine große Raumladungszone auf. Wie wir nun wissen, ist hier also die Kapazität gering.
Bei der Diode mit hoher Dotierkonzentration ist die Raumladungszone viel schmaler. Somit ist die Kapazität entsprechend hoch.
Wir können daraus schließen, dass die Dotierkonzentration ebenfalls Einfluss auf unsere Kapazität hat.
Sperrschichtkapazität Diode – Zusammenfassung
Die Sperrschichtkapazität tritt bei der Diode auf, wenn sich diese im Sperrbetrieb befindet. Die Funktionsweise / Erklärung ist analog zum Plattenkondensator.
Sie ist abhängig von der angelegten Sperrspannung. Je größer die Sperrspannung, desto kleiner die Kapazität.
Zudem ist sie abhängig von der Dotierkonzentration. Dabei gilt: Je höher die Dotierkonzentration, desto höher die Kapazität.
Sperrschichtkapazität vs Diffusionskapazität
Bei der Diode / beim PN-Übergang treten zwei unterschiedliche Kapazitäten auf.
Im Vergleich zur Diffusionskapazität ist die Sperrschichtkapazität wesentlich kleiner. Wie bereits erklärt, tritt sie nur in Sperrrichtung auf, während die Diffusionskapazität in Flussrichtung auftritt.
Beide Kapazitäten haben Einfluss beim Schalten der Diode.
⇨ Diffusionskapazität
⇨ Schaltverhalten der Diode
Sperrschichtkapazität Formel / Berechnen
Um die Sperrschichtkapazität zu berechnen, kann folgende Formel verwendet werden. Hierbei ist auch der Einfluss der Sperrschichtweite zu erkennen.
Cjunction = Sperrschichtkapa
ε0 = Elektrische Feldkonstante (8,85E-12 As/Vm)
εr = Relative Permitivität (11.8)
ADio = Fläche der Diode
w = Sperrschichtweite