8.4. Варикапы

Варикап – это полупроводниковый диод, который используется в качестве электрически управляемой емкости. В варикапах используется свойство барьерной емкости обратно-включенного р-п-перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Барьерная емкость р-п-перехода

, (8.3)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; ε₀ – диэлектрическая постоянная; S_p-n – площадь р-п-перехода; d_р-п – ширина р-п-перехода.

С увеличением обратного напряжения U_обр, приложенного к р-п-переходу, увеличивается d_р-п и уменьшается С_б (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Зависимость емкости варикапа

от обратного напряжения

Основными параметрами варикапов являются: номинальная (начальная) емкость С_ном; добротность Q_в; коэффициент перекрытия; температурный коэффициент емкости α_С.

Номинальная емкость С_ном – барьерная емкость р-п-перехода при заданном напряжении смещения (от долей пФ до сотен пФ).

Коэффициент перекрытия К_С – отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений:

. (8.4)

Характерные значения К_С составляют 2 – 20.

Добротность Q_в – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Как правило, варикапы работают в диапазоне высоких и сверхвысоких частот (f > 1 МГц), для которых

, (8.5)

где f – частота; С – емкость варикапа; r – последовательное (по отношению к С) активное сопротивление диода.

В настоящее время достигнуты значения Q_в > 500 при f = 50 МГц и С = 70 пФ.

Температурный коэффициент емкости α_С – отношение относительного изменения емкости к вызывающему его изменению температуры:

. (8.6)

Варикапы изготавливают на основе кремния, германия, арсенида галлия. Для кремниевых варикапов с резким р-п-переходом α_С имеет значение 5·10^–4 град^–1 при |u| = 4 В. С усилением зависимости С от U, а также при понижении U_мин α_С возрастает и при U = 1 В может достигать 5·10^–3 град^–1.

В радиоэлектронных устройствах свойство нелинейного изменения емкости варикапа используют для получения параметрического усиления, умножения частоты и т.д., а возможность электрического управления емкостью – для дистанционной и безынерционной перестройки резонансной частоты колебательных контуров.

8.5. Лавинно-пролетные диоды

Лавинно-пролетные диоды – это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении р-п-перехода и предназначенные для генерации СВЧ-колебаний.

В качестве примера рассмотрим процессы, происходящие в структуре р⁺ ‑ п – п⁺ при обратном напряжении, имеющем постоянную и переменную составляющие. Когда суммарное напряжение превышает пробивное, начинается ударная ионизация – лавинный пробой. Пары электрон – дырка, генерируемые в узкой части р-п-перехода, где напряженность электрического поля достаточна для ударной ионизации, разделяются полем (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Структура лавинно-пролетного диода (а),

распределение напряженности электрического поля (б);

вольт-амперная характеристика с рабочей точкой А (в)

Ток, вызванный движением новых носителей заряда, проходит до тех пор, пока носители не выйдут из р-п-пе-рехода. За время пролета носителей заряда через переход (в нашем примере – электронов) напряжение на диоде может успеть уменьшиться, если частота переменной составляющей будет большой. Таким образом, из-за конечного времени пролета носителей и инерционности процесса развития лавины появляется фазовый сдвиг между проходящим через диод током и приложенным к диоду переменным напряжением высокой частоты. При сдвиге фаз, равном 180º, нарастание напряжения все время будет сопровождаться уменьшением тока и наоборот. Это свидетельствует о том, что для данной частоты переменного напряжения в течение всего периода колебаний выполняется условие отрицательного дифференциального сопротивления. Лавинно-пролетные диоды обладают отрицательным дифференциальным сопротивлением только для СВЧ-колебаний.

Всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний. Лавинно-пролетные диоды используют для генерации СВЧ-колебаний большой мощности с частотой порядка нескольких сотен гигагерц.

Лавинно-пролетные диоды имеют высокий уровень шума, присущий ударной ионизации, так как небольшие отклонения тока (дробовóй шум) через р-п-переход усиливаются при ударной ионизации. Поэтому лавинно-пролетные диоды применяют только для генерации СВЧ-колебаний и не используют для усиления слабых сигналов.