35.Варикапы. Светоизлучающие диоды. Туннельные диоды.

Варикап – полупроводниковый диод, используемый как конденсатор, емкость которого зависит от приложенного к нему напряжения. В варикапах используется барьерная емкость p-n перехода. Барьерная емкость резкого p—n-перехода определяется как (2.26). Для резкого несимметричного p—n-перехода . Для плавного перехода с линейным распределением примеси барьерная емкость равна:

. (2.27).

Рис.2.13.Зависимостьбарьер­ной емкости p-n- перехода от напряжения

С учетом барьерной емкости эквивалентную схему p-n перехода представляют в виде:

Рис. Схема замещения варикапа

- дифференциальное сопротивление перехода, - сопротивление объемов p и n областей и подводящих контактов. Как известно, при прямом смещении p-n переходы имеют малое сопротивление Ом. Оно шунтирует и емкостные свойства p-n перехода при прямом смещении не проявляются. При обратном смещении Мом и переход для переменного сигнала ведет себя как емкость. Поэтому основной режим работы варикапа это обратное смещение. Варикапы применяют в схемах резонансных LC – контуров, резонансную частоту которых можно изменять путем изменения напряжения на варикапе – схема электронной подстройки контуров.

Рис. Схема включения варикапа в LC-контур.

- разделительный конденсатор большой емкости устраняет замыкание постоянного тока через омическое сопротивление L. При он не влияет на резонансную частоту контура, так как емкость в контуре - это последовательное соединение и . , , - высокоомный резистор, предотвращающий шунтирование контура цепью смещения. - изменяет обратное напряжение на варикапе, меняя его емкость и резонансную частоту . Используется в радиоаппаратуре, АПЧ и т.д. Основные параметры варикапов:

1. - номинальная емкость варикапа при . Типичные значения – единицы – сотни пФ2. Коэффициент перекрытия по емкости . - максимальная емкость при минимальном смещении. - емкость при максимально допустимом напряжении смещения.3. - максимально допустимое обратное смещение, не более десятков В.4. Добротность Q – отношение емкостного сопротивления к эквивалентному последовательному сопротивлению. - от нескольких десятков до сотен единиц. Требования к конструкции p-n перехода варикапа противоречивы. Для максимальной добротности Q необходима максимальная степень легирования p-n областей, но при этом недопустимо уменьшается (до 1÷2 В). Поэтому p-n переход варикапов чаще всего имеет планарно-эпитаксиальную структуру.

Рис. Планарно-эпитаксиальная структура варикапа

Затем методом диффузии создается высоколегированная область p⁺ типа.

При обратном смещении область объемного заряда в основном распространяется в низколегированную n область, что определяет высокие значения пробивного напряжения. В тоже время, высоколегированные p⁺, n⁺ - обеспечивают малое последовательное сопротивление . Необходимая емкость создается за счет площади p-n перехода.

Второй элемент обозначения варикапов – буква В. КВ или 2В. Например, КВ117 A, Б. Встречается КВС 111 А, Б – буква С – сборка.

Светоизлучающие диоды (СИД) – полупроводниковые приборы, преобразующие электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения в видимой и инфракрасной области спектра.

Изготовляется p-n переход на основе материалов, имеющих высокую вероятность излучательной рекомбинации, то есть GaAs В – инфракрасное излучение, GaP В - красно-желтое свечение, GaN - синего, SiC В от желтого до синего. А также тройные соединения GaAlAs В, GaAsP В – инфракрасные, красные и желтые. P-n переход обычно несимметричный. Одна из областей – эмиттер – легирована значительно сильнее другой – базы. В нашем случае (см. рис.) прямой ток переносится в основном электронами, которые инжектируются из эмиттера в базу. В базе электроны оказываются неравновесными носителями, рекомбинирующими вблизи p-n перехода. Возникающее излучение выходит через поверхность базы. КПД – несколько процентов. Длина волны излучения определяется : .

для GaAs – угол полного отражения

Рис. Структура светоизлучающего диода

Как элемент электрической цепи светодиод отличается повышенным прямым напряжениям, что связано с повышенной полупроводника. На светодиоды нежелательно подавать даже малое обратное напряжение, так как при этом они быстро деградируют (обычно область объемного заряда мала – высоколегированные области, а если приложить обратное напряжение, то в области объемного заряда высокая напряженность электрического поля, что приводит к неконтролируемому движению ионов примеси, это увеличивает число ловушек и КПД падает).

Туннельные диоды. Имеют N-образную ВАХ. Выполняются на основе высоколегированных p и n областей, предназначены для работы на ВЧ – генерация ВЧ колебаний. Предложены в 1958 г., Ясаки (Япония)

Рис. ВАХ туннельного диода