2.2.6. Варикапы

Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от величины обратного напряжения. Фактически речь идет о барьерной емкости С_б конденсатора, образованной неподвижными ионами доноров и акцепторов в области p-n-перехода.

Варикап предназначен для применения в качестве нелинейного элемента с электрически управляемой емкостью С_б в пределах до 500 пФ, например, в колебательных контурах с регулируемой резонансной частотой в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн СВЧ (от 300 МГц до 30 ГГц).

Условное графическое обозначение варикапа и зависимость его емкости С_б от обратного напряжения приведены на рис. 2.14.

Как известно, величина барьерной емкости С_б зависит от приложенного к диоду обратного напряжения: при возрастании напряжения ширина области l(U) объемного заряда согласно (2.1) возрастает и, соответственно, значение емкости С_б уменьшается.

а) б)

Рис. 2.14. УГО варикапа (а) и вольт-фарадная характеристика для КВ117 (б)

К основным параметрам варикапа относятся:

 начальная емкость С₀ – емкость при нулевом напряжении;

 номинальная емкость С_н при заданном обратном напряжении U_н;

 коэффициент перекрытия по емкости К_С = С₀/С_н;

 добротность Q_C, определяемая как Q_C = Х_C/R = Q/P, где Х_C - реактивное сопротивление на заданной частоте; R - активное сопротивление при заданном напряжении, Q – реактивная мощность варикапа; Р – мощность, потребляемая прибором;

 температурный коэффициент емкости, равный

ТКС = (1/С) ∆С/∆Т; (2.12)

 предельная частота f_пред прибора.

Условное обозначение варикапа включает следующие элементы: материал полупроводника (К кремний); буквенное обозначение подкласса (например, В); цифру, указывающую назначение варикапа (1 – подстроечный варикап, 2 – умножительный варикап), порядковый номер разработки и букву, указывающую на разбраковку по параметрам, например, варикап КВ117А.

2.2.7. Туннельные диоды

Туннельный диод (ТД) – полупроводниковый диод, в котором при прямом напряжении туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперной характеристике участка отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС).

В основе туннельного пробоя лежит квантовое явление туннеллирования электронов из валентной зоны в зону проводимости через энергетический барьер  запрещенную зону.

Туннельный пробой, как указано выше (см. п. 2.2.5), возникает в обратно смещенном стабилитроне, в котором при сравнительно небольших прямых напряжениях за счет малой ширины l(U) p-n-перехода создается высокая напряженность поля. При пробое, когда напряжение достигает величины U_ст, через p-n-переход начинает протекать значительный обратный ток.

Однако, туннельный эффект может реализоваться и при прямом смещении, что характерно для туннельных диодов с высокой степенью легирования p- и n-областей, примыкающих к p-n-переходу.

У туннельных диодов, работающих при прямом смещении, туннельный эффект (рис. 2.15, а) проявляется в том, что при увеличении напряжения ток первоначально растет, а затем, достигнув значения I_max при напряжении U₁, убывает до I_min при напряжении U₂. Снижение тока связано с уменьшением числа электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении U₂ число туннелирующих электронов становится равным нулю, и собственно, туннельный эффект исчезает. При дальнейшем увеличении напряжения выше U₂ прохождение прямого тока такое же, как у обычного диода, и определяется диффузией основных носителей.

а) б)

Рис. 2.15. ВАХ туннельного диода (а) и его УГО (б)

Подобная зависимость I(U) обусловлена специфическим изменением высоты и ширины потенциального барьера на границе прямо смещенного p-n-перехода.

Таким образом, на прямой ветви вольт-амперной характеристики (рис. 2.15, а) туннельного диода можно выделить три участка. Начальный участок роста тока от 0 до I_max при увеличении напряжения от 0 до U₁ (участок положительного дифференциального сопротивления), участок спадания тока от I_max до I_min при увеличении напряжения от U₁ до U₂ (участок ОДС) и участок дальнейшего увеличения тока от I_min при увеличении напряжения от U₂ и далее.

Наличие участка ОДС позволяет создавать на основе туннельных диодов генераторы напряжения высокой частоты. Высокая частота генерируемых колебаний обеспечивается тем, что туннельный диод  практически безинерционный прибор.