Варикапы

В арикапами, варикондами или параметрическими диодами называют полупроводниковые диоды, используемые в качестве переменной ёмкости, управляемой напряжением. Здесь используется свойство перехода изменять свою барьерную ёмкость при изменении приложенного к нему обратного напряжения. Диффузионная ёмкость для этих целей не используется т.к. она шунтируется малым дифференциальным сопротивлением перехода, смещённого в прямом направлении.

Варикапы предназначаются для работы в параметрических усилителях, преобразователях постоянного напряжения в переменное высокой частоты, измерительных усилителях, в качестве элемента настройки высокочастотных контуров.

На рисунках приведены зависимость ёмкости варикапа Д902 от напряжения на нём пример его использования и эквивалентная схема.

К онденсатор С_р служит для того, чтобы постоянное напряжение подаваемое на варикап через сопротивление R₁ не замыкалось через катушку индуктивности колебательного контура L₁С₁.

Параметры варикапов

1. -добротность варикапа есть отношение реактивной мощности , запасаемой барьерной ёмкостью, к мощности

потерь , где φ – угол между напряжением и током.

На низких частотах можно пренебречь R_б, тогда Q_нч = 2·π·f·R_д·C_бар , а на высоких R_д , тогда Q_нч = (2·π·f·R_б·C_бар)^-1. Отсюда видно, что для повышения добротности надо уменьшать сопротивление базы.

2. -номинальная ёмкость при заданных: обратном напряжении, частоте и температуре.

3. -коэффициент перекрытия по емкости.

4. -температурный коэффициент емкости.

5. -допустимое обратное напряжение.

6. -максимальный обратный ток.

7. -рабочий диапазон температур.

Импульсные диоды

Это диоды, которые предназначены для работы в импульсных схемах: широкополосных ограничителях, элементах цифровых вычислительных машин, ключевых устройствах, формирователях коротких импульсов и т.д. В таких схемах напряжения и токи могут меняться скачкообразно. При этом приходится учитывать инерционность процессов накопления и рассасывания зарядов на границах p-n перехода.

Рассмотрим два наиболее часто встречающихся на практике режима.

1. Прохождения прямоугольного импульса прямого тока через диод.

2. Переключение диода из открытого состояния в закрытое (переключение с прямого напряжения на обратное).

Считая, что E>>U_д имеем I_пр.и = E / R . Вследствие инерционности процессов диффузии стационарное распределение концентрации неосновных неравновесных носителей заряда в базе диода, соответствующее току I_пр.и, не может установиться мгновенно. В области базы, примыкающей к p-n переходу, концентрация дырок устанавливается быстрее, чем глубине базы. Следовательно сопротивление б азы в её глубине вначале велико, а по мере повышения концентрации дырок сопротивление базы понижается. Поэтому напряжение на p-n переходе устанавливается быстрее, чем на базе. Согласно рисункам p-n переход обладает ёмкостной реакцией, а область базы – индуктивной. Разница между U_б(t_вкл) и U_б(∞) будет тем больше, чем больше величина прямого тока. Поэтому форма напряжения на диоде U(t) = U_p-n(t) + U_б(t) будет зависеть от величины I_пр.и. При больших токах определяющими являются процессы в базе диода и реакция на перепад тока носит индуктивный характер(кр. 1). При малых токах, когда U_б(t)<<U_p-n(t) диод ведёт себя как ёмкость (кр. 3). При средних величинах прямого тока нарастание U_p-n(t) не может для любого момента времени компенсировать уменьшение напряжения U_б(t), т.к. скорости изменения этих напряжений различны. В таком случае, процесс носит колебательный характер.

Процесс установления напряжения на диоде характеризуется двумя параметрами:

1.R_и.макс = U_{пр.и.макс} / I_пр.и –прямое импульсное сопротивление диода. 2. t_пр.уст –время установления прямого сопротивления диода – интервал времени от начала включения импульса прямого тока до момента достижения напряжением на диоде значения 1,1·U_пр.

П ри выключении источника прямого тока происходит процесс рассасывания накопленных в базе неравновесных носителей заряда как вследствие их рекомбинации, так и в результате их ухода во внешнюю цепь, если она имеется. В момент выключения тока наблюдается скачок напряжения на диоде U_б(t_выкл), вызванный изменением падения напряжения в базе диода. В течение всего времени пока на границе перехода имеется неравновесная концентрация заряда, его можно рассматривать как заряженную ёмкость или генератор послеинжекционной э.д.с. Если R_н = ∞, то спад послеинжекционной э.д.с. происходит в результате только рекомбинации. В противном случае ещё и за счёт протекания тока через R_н, причем вначале, пока избыточная концентрация велика, скорость спада определяется высокой скоростью рекомбинации, а не сопротивлением R_н. Форма напряжения на диоде при протекании через него прямого импульса тока приведена на рисунке.

Переключение диода с прямого напряжения на обратное.

Р езистор R1 и источник E1 определяют величину прямого тока через диод, а R1 и E2 величину обратного тока.

Резистор R2 служит датчиком тока, т.е. его сопротивление выбирается настолько малым, что падением напряжения на нём можно пренебречь по сравнению с любыми другими падениями напряжения в схеме. В момент переключения ток через диод меняет направление на противоположное, дырки на границе перехода начинают втягиваться полем перехода в p-область и обратный ток, за счёт избыточной концентрации

д ырок в базе диода, может скачком достичь большого значения. Так как инжекции больше нет, этот избыточный заряд в базе будет убывать как вследствие протекания обратного тока, так и в результате рекомбинации. В течении промежутка времени t₁, пока напряжение на переходе, обусловленное неравновесным градиентом концентрации, остаётся положительным, величина обратного тока остаётся неизменной и определяется сопротивлением R₁: I₂ = E_обр / R₁. Эта фаза переключения (t₁) называется фазой высокой обратной проводимости и длится она пока граничная, избыточная концентрация не достигнет равновесной. Для плоскостных импульсных диодов если и если .

Вторая фаза (промежуток времени t₂ ) обусловлена рекомбинацией избыточного заряда в глубине базы, концентрация которого стремится к равновесной. В течении этой фазы обратный ток монотонно спадает до величины нормального обратного тока диода I₀.

У плоскостных диодов . Параметрами, характеризующими импульсные диоды, являются все параметры высокочастотных диодов, приведённые выше параметры- R_и.макс и t_пр.уст, а также параметр t_восс = t₁ + t₂ .