מהו קיבול התפשטות?

הגדרת קיבולת הדיפוזיה

קיבולת הדיפוזיה היא סוג של אפקט קיבול דיפרנציאלי של מפגש p-n כאשר הוא מוטה חיובית. זה נגרם על ידי תהליך הדיפוזיה של סוגי חומרים שונים במכשירים מוליכים למחצה כגון מפגש PN או MOSFET, כלומר מספר קטן של נושאי מטען באזור המזוהם מתפשטים לאזור הלא מזוהם כדי ליצור אזור מטען מרחב, ולבסוף מופיעים כאפקט קיבול.

עקרון בסיסי

כאשר מפגש PN מוטה קדימה, נושאי מטען (אלקטרונים והורים) יתפשטו מאזור P ואזור N אחד לשני, בהתאמה. בתהליך הדיפוזיה, באזור P מצטבר כמות מסוימת של ג'יין לא שווי משקל (אלקטרונים), באזור N מצטבר כמות מסוימת של ג'יין לא שווי משקל (הורים). הנושאים הקטנים המצטברים הללו יוצרים אחסון מטען מסוים, כמו קבל, עם יכולת אחסון מטען. הגודל של קיבולת הדיפוזיה קשור למתח ההטייה החיובי, לטמפרטורה ולמאפייני החומרים המוליכים למחצה. ככל שהמתח ההטייה החיובי גדול יותר, כך גם קיבולת הדיפוזיה גדולה יותר.

היווצרות קיבולת הדיפוזיה

כאשר מתח חילופין מוחל על מפגש מוליך למחצה, ריכוז הנושאים הקטנים משתנה עם המתח. הנושאים הקטנים הללו נעים באופן אקראי במוליך למחצה ומצטברים ליד מפגש המוליך למחצה. הצטברות זו שקולה לאפקט קיבול, כלומר קיבולת הדיפוזיה.

הביטוי לקיבולת הדיפוזיה ניתן לכתיב בדרך כלל:

• CD היא קיבולת הדיפוזיה.

• Qn הוא המטען הקטן.

• V הוא המתח המוחל.

קיבולת הדיפוזיה דיודה

בדיודות, קבלים מדיפוזיה מופיעים בעיקר במצב ההטייה הקדמית. כאשר הדיודה מוטה קדימה, נושאי מטען קטנים (כמו הורים בחומר מוליך מסוג N) מוזרקים לאזור P, מה שגורם לשינוי בריכוז הנושאים הקטנים. השינוי בריכוז הג'יין יצר אפקט קיבול, כלומר קיבולת הדיפוזיה.

קיבולת הדיפוזיה טרנזיסטור

בטרנזיסטורים (כגון BJT, MOSFETs וכדומה), קיבולת הדיפוזיה קיימת גם בין הבסיס לאמיטר. כאשר הטרנזיסטור עובד בתנאי תדר גבוה או מהירות גבוהה, השפעת קיבולת הדיפוזיה מורגשת יותר, כי היא משפיעה על усиление הטרנזיסטור והתגובה לתדר.

השפעת קיבולת הדיפוזיה

ההשפעה של קיבולת הדיפוזיה במכשירים מוליכים למחצה מתבטאת בעיקר בנקודות הבאות:

• ביצועים בתדר גבוה: באפליקציות בתדר גבוה, קבלים מדיפוזיה מגבילים את רוחב הסרט של המכשיר ומפיגים את ביצועיו בתדר גבוה.

• מהירות התחלף: באפליקציות התחלף, קיבולת הדיפוזיה יכולה להשפיע על מהירות המכשירים להתחלף, להגדיל איבוד התחלף.

• עיוות אות:stär, קבלים מדיפוזיה יכולים להכניס עיכוב פאזה נוסף, מה שמוביל לעיוות אות.

נוסחא לחישוב

חישוב קיבולת הדיפוזיה מתבצע בדרך כלל על בסיס מודלים בפיזיקה של מוליכים למחצה. עבור דיודה, קיבולת הדיפוזיה יכולה להיות מוערכת כ:

• Q הוא מטען אלקטרוני.

• NA הוא ריכוז המזוהם.

• μn הוא ניידות אלקטרונים.

• ϵr הוא קבוע דיאלקטרי יחסי.

• ϵ0 הוא קבוע הדיאלקטרי של הריק.

• VT הוא מתח תרמי, n = kT/q, k הוא קבוע בולצמן, T הוא הטמפרטורה האבסולוטית.

• Vbi הוא הפוטנציאל המבנה.

יישום

• מעגלים בתדר גבוה: במעגלי רדיו (RF) ומדעי מיקרוגל, השפעת קיבולת הדיפוזיה אינה ניתנת להתעלם.

• מעגל דיגיטלי מהיר: במעגל דיגיטלי מהיר, קיבולת הדיפוזיה יכולה להשפיע על זמן העליה ובזילה של האות.

• ניהול אנרגיה: במעגל ניהול אנרגיה, קיבולת הדיפוזיה משפיעה על יעילות מקור החשמל המתחלף.