ما هو سعة الانتشار؟

تعريف السعة التفاضلية

تعد السعة التفاضلية نوعًا من تأثير السعة التفاضلية للموصل PN عند تحيزه بشكل إيجابي. وهي ناتجة عن عملية الانتشار لأنواع مختلفة من المواد في أجهزة النصف الموصل مثل موصل PN أو MOSFET، أي أن بعض الشحنات الحاملة في المنطقة الممزوجة تنتشر إلى المنطقة غير الممزوجة لتكوين منطقة الشحنة الفارغة، وتعطي في النهاية تأثير السعة.

المبدأ الأساسي

عندما يتم تحييز موصل PN بشكل إيجابي، ستنتشر الشحنات الحاملة (الإلكترونات والثقوب) من المناطق P و N إلى بعضها البعض على التوالي. أثناء عملية الانتشار، تتراكم منطقة P كمية معينة من جين اللاإتزان (الإلكترونات)، وتتراكم منطقة N كمية معينة من جين اللاإتزان (الثقوب). هذه الشحنات المتراكمة من الجسيمات الصغيرة اللاإتزانية تشكل متجر شحن معين، مثل المكثف، بقدرة على تخزين الشحنة. حجم السعة التفاضلية يتعلق بالجهد التحييزي الإيجابي، والحرارة، وخواص مواد النصف الموصل. كلما زاد الجهد التحييزي الإيجابي، كلما زادت السعة التفاضلية.

تشكيل السعة التفاضلية

عند تطبيق جهد متردد على اتصال النصف الموصل، تتغير تركيز الجسيمات الصغيرة اللاإتزانية مع الجهد. هذه الجسيمات الصغيرة تتحرك بشكل عشوائي في النصف الموصل وتتراكم بالقرب من اتصال النصف الموصل. هذا التراكم يعادل تأثير السعة، أي السعة التفاضلية.

يمكن كتابة التعبير عن السعة التفاضلية عادةً كالتالي:

• CD هي السعة التفاضلية.

• Qn هو الشحنة الصغيرة.

• V هو الجهد المطبق.

السعة التفاضلية في الثنائي

في الثنائيات، تظهر المكثفات التفاضلية بشكل أساسي في حالة التحييز الإيجابي. عندما يكون الثنائي متحيزًا بشكل إيجابي، يتم حقن الجسيمات الصغيرة (مثل الثقوب في نصف الموصل N) في منطقة P، مما يؤدي إلى تغيير في تركيز الجسيمات الصغيرة. تغيير تركيز جين الذي تم تشكيله أعطى تأثير السعة، أي السعة التفاضلية.

السعة التفاضلية في الترانزستور

في الترانزستورات (مثل BJT، MOSFETs، إلخ)، توجد السعة التفاضلية أيضًا بين القاعدة والمنبع. عندما يعمل الترانزستور في ظروف التردد العالي أو السرعة العالية، يكون تأثير السعة التفاضلية أكثر وضوحًا لأنه يؤثر على الكسب الترانزستوري والاستجابة التردديّة.

تأثير السعة التفاضلية

يتجلى تأثير السعة التفاضلية في أجهزة النصف الموصل بشكل أساسي في الجوانب التالية:

• الأداء عالي التردد: في التطبيقات ذات التردد العالي، تحد المكثفات التفاضلية نطاق التردد للجهاز وتؤثر على أدائه عالي التردد.

• سرعة التبديل: في التطبيقات التبديلية، يمكن أن تؤثر السعة التفاضلية على سرعة الأجهزة التبديلية وتزيد من خسارة التبديل.

• تشوه الإشارة: في المكبرات، قد تدخل المكثفات التفاضلية تأخير مرحلة إضافي، مما يؤدي إلى تشوه الإشارة.

صيغة الحساب

عادةً ما يتم حساب السعة التفاضلية بناءً على نماذج في فيزياء النصف الموصل. بالنسبة للثنائي، يمكن تقريب السعة التفاضلية كالتالي:

• Q هي الشحنة الإلكترونية.

• NA هو تركيز التسميد.

• μn هي قابلية التنقل الإلكترونية.

• ϵr هو الثابت الكهربائي النسبي.

• ϵ0 هو الثابت الكهربائي للفراغ.

• VT هو الجهد الحراري، n = kT/q، k هو ثابت بولتزمان، T هي الحرارة المطلقة.

• Vbi هو الجهد الداخلي.

تطبيق

• الدوائر ذات التردد العالي: في الدوائر الراديوية (RF) والدوائر الميكرويف، لا يمكن تجاهل تأثير السعة التفاضلية.

• الدوائر الرقمية عالية السرعة: في الدوائر الرقمية عالية السرعة، يمكن أن تؤثر السعة التفاضلية على وقت صعود الإشارة ووقت هبوطها.

• إدارة الطاقة: في دارة إدارة الطاقة، تؤثر السعة التفاضلية على كفاءة مصدر الطاقة التبديلية.