
【电】 natural capacity
固有电容(Intrinsic Capacitance)是电子元件或材料中由自身物理结构或材料特性产生的自然电容效应,与外部电路无关。该术语在半导体器件分析中尤为重要,例如PN结二极管的反偏耗尽层电容($C_j$)和金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的栅极电容都属于典型固有电容。
从物理机制分析,固有电容主要由以下因素形成:
电荷分离结构:半导体PN结耗尽区形成的空间电荷层,其电容值可通过公式计算:
$$
Cj = frac{C{j0}}{(1 - V_R/phibi)^{m}}
$$
其中$C{j0}$为零偏置电容,$VR$为反向电压,$phi{bi}$为内建电势,$m$为梯度系数(突变结取0.5,线性缓变结取0.33)。
材料介电特性:如铁电材料的自发极化会产生与晶格结构相关的本征电容,这类电容在存储器设计中具有关键作用。
国际电工委员会(IEC)在标准IEC 60050-131:2002中明确定义了固有电容为“器件在无外部激励时表现出的电荷存储能力”,该标准被IEEE等机构广泛采用。在工程实践中,设计高频电路时需重点考虑晶体管固有电容对截止频率($f_T$)的影响,其关系可表示为:
$$
fT = frac{gm}{2pi(C{gs} + C{gd})}
$$
其中$gm$为跨导,$C{gs}$和$C_{gd}$分别为栅源、栅漏固有电容。
固有电容是指导体、元件或材料由于其自身物理特性(如几何形状、材料属性等)而自然存在的电容效应。以下从定义、形成机制和典型应用三方面综合解释:
基本定义
固有电容源于物体自身储存电荷的能力,与外部电路无关。例如,平行板电容器的固有电容可通过公式计算:
$$
C = frac{varepsilon A}{d}
$$
其中$varepsilon$为介质介电常数,$A$为极板面积,$d$为极板间距,这些均为材料或结构的固有属性。
形成机制
典型应用场景
注:固有电容与寄生电容常被混淆,区别在于前者是设计预期内的参数,后者则是非理想因素导致的附加电容效应。
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