干货 | 聊聊二极管的电容效应

我们平时在选型 TVS 二极管的时候会遇到一个寄生电容的参数，这个参数在一些通信类的接口中使用时，往往限制我们对于 TVS 二极管的选型。

并且这个寄生电容的大小也随着 TVS 二极管的功率的大小呈正相关性。

那么，我们今天来聊一聊，二极管中的寄生电容是怎么产生的。

首先，二极管的电容效应包括势垒电容CB和扩散电容CD两个部分。

1. 势垒电容CB(Cr)

在 PN 结的内部结构中，PN结空间内缺少导电的载流子，其电导率很低，因此相当于介质。

而PN结两侧的P区和N区，P区空穴多，N区电子多，因为扩散，会在中间形成内建电场区。N区那边失去电子带正电荷，P区那边得到电子带负电荷。

由于N 区和 P区积累了电子和空穴，其导电率很高，相当于金属导体。从这一结构来看，PN结等效于一个两个极板的电容器。

当PN结两端加正向电压时，PN 结导通，促进了电流的形成，PN结区域变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容"放电"。

当PN结两端加反向电压时， PN 结截止，PN结变宽，结中空间电荷量增多，相当于电容"充电"。

这种现象可以用一个电容来模拟，我们称之为势垒电容。

这个势垒电容的大小可以理论的计算一下：

当外加电压有△U 的变化时，电荷有△Q 的变化，假设两边的距离为 Xd 时。势垒电容为：

利用势垒电容和电压的关系设计变容二极管

势垒电容与普通电容不同之处，在于它的电容量并非常数，而是与外加电压有关。当外加反向电压增大时，势垒电容减小；反向电压减小时，势垒电容增大，如下图的特性曲线。

目前广泛应用的变容二极管，就是利用PN结电容随外加电压变化的特性制成的。

2. 扩散电容CD

当给二极管加正向偏压时，在 PN 结两侧的少子扩散区内，都有一定的少数载流子的积累，而且它们的密度随电压而变化，形成一个附加的电容效应，称为扩散电容。

当PN结加上正向电压，内部电场区被削弱，因为浓度差异，P区空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。

扩散的空穴和电子在内部电场区相遇，会有部分空穴和电子复合而消失，也有部分没有消失。没有复合的空穴和电子穿过内部电场区，空穴进入N区，电子进入P区。

进入N区的空穴，并不是立马和N区的多子-电子复合消失，而是在一定的距离内，一部分继续扩散，一部分与N区的电子复合消失。

显然，N区中靠近内部电场区处的空穴浓度是最高的，距离N区越远，浓度越低，因为空穴不断复合消失。同理，P区也是一样，浓度随着远离内部电场区而逐渐降低。总体浓度分布如下图所示。

当外部电压稳定不变的时候，最终P区中的电子，N区中的空穴浓度也是稳定的。

也就是说，P区中存储了数量一定的电子，N区中存储了数量一定的空穴。如果外部电压不变，存储的电子和空穴数量就不会发生变化，也就是说稳定存储了一定的电荷。

但是，如果电压发生变化，比如正向电压降低，电流减小，单位时间内涌入N区中的空穴也会减小，这样N区中空穴浓度必然会降低。同理，P区中电子浓度也降低。所以，稳定后，存储的电子和空穴的数量相比之前会更少，也就是说存储的电荷就变少了。

因此，这里的扩散电容是和加在二极管两端的正向偏置电压有关系的。

3. 总结一下

当我们打开二极管的 Datasheet 时，看到的典型电容参数一般会指定测试条件，通常这个条件是1MHz，电压为-4V（反偏）。

这是因为势垒宽度，也就是内建电场区的宽度，是与电压相关的。所以说，不同的电压下，势垒电容的大小也是不同的。因此这个参数需要在确定的偏置电压下进行测量。

因此，我们把二极管的物理模型进行简化，通过一些线性器件进行表达，简化后的等效电路如下图。

总之，二极管呈现出两种电容，它的总电容Cj相当于两者的并联，即：

Cj = CB + CD。

二极管正向偏置时，扩散电容远大于势垒电容 Cj ≈ CD ；

而反向偏置时，扩散电容可以忽略，势垒电容起主要作用，Cj ≈ CB 。