PN结势垒电容与结面积、耗尽层厚度的关系

定义

PN结势垒电容（又称空间电荷区电容、结电容）是PN结在耗尽层两侧存储电荷随外加偏压变化所表现出的电容效应。当外加电压改变时，耗尽层宽度和其中电离杂质电荷量随之改变，形成充放电电流，等效为一个电容。

基本关系

耗尽层可视为厚度为 $x_d$、面积为 $A$、介电常数为 $\epsilon$ 的介质层，其电容为：

其中 $A$ 为PN结面积，$x_d$ 为耗尽层总厚度。该式表明：结面积越大，势垒电容越大；耗尽层越厚，势垒电容越小。

耗尽层厚度与偏压、掺杂的关系

对于单边突变结（如P⁺N结，轻掺杂一侧浓度为 $N$），耗尽层厚度随反偏电压增大而增大：

其中 $V_{bi}$ 为内建电势，$V_R$ 为外加反偏电压，$q$ 为电子电荷，$N$ 为轻掺杂侧杂质浓度。

代入电容表达式得：

该式说明：

• 反偏电压 $V_R$ 增大，耗尽层变厚，$C_j$ 减小；
• 掺杂浓度 $N$ 越高，耗尽层越薄，$C_j$ 越大；
• 结面积 $A$ 越大，$C_j$ 越大。

适用条件

上述关系适用于突变结、耗尽近似成立、忽略耗尽层外中性区电阻效应的情形。正偏时势垒电容仍存在，但扩散电容通常占主导；反偏时势垒电容为主要电容成分。

在光电池与光电二极管中的意义

光电池和光电二极管的PN结面积较大以接收更多光，因此结电容较大。结电容与负载电阻或放大电路输入电阻构成RC时间常数，限制器件频率响应。在光电二极管阵列中，每个像素的结电容与互连电阻共同决定信号建立时间，是频率特性变差的重要原因。