1.1.6.3. Варикапы

1.1.6.3.1. Вольт-фарадная характеристика варикапа

Ваpикапами называют полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость емкости перехода от величины обратного напряжения. Ваpикапы предназначены для применения в качестве элементов с электрически управляемой емкостью. Ваpикапы используемые в схемах умножения частоты сигнала, называют варакторами, а в схемах параметрических усилителей сигналов сверхвысоких частот - параметрическими полупроводниковыми диодами.

Основной характеристикой ваpикапа является вольт-фаpадная характеристика - это зависимость емкости варикапа от обратного напряжения , где - общая емкость ваpикапа, т.е. емкость, измеренная между его выводами.

Общая емкость содержит не только барьерную емкость электрического перехода , но и емкость корпуса , в который заключен прибор. Поскольку , вольт-фаpадные характеристики ваpикапов идентичны вольтфаpадным хаpактеpистикам p-n-пеpехода, представленным на pис. 1.1.12, где 1 кривая соответствует плавному переходу,2 - резкому переходу, 3 - переходу со сложной функцией изменения концентрации примеси.

Из этих кривых видно, что характер зависимости определяется видом перехода, и наиболее резкая зависимость наблюдается на переходе с наиболее сложной функцией изменения концентрации примесей.

О

Рис. 1.1.12. Вольт-фарадная характеристика варикапа

сновными параметрами варикапа является коэффициент перекрытия по емкости , где и - общие емкости варикапа при заданных значениях обратного напряжения и , который используется для оценки зависимости , и коэффициент нелинейности ,

с помощью которого оценивается нелинейность вольтфарадной характеристики. Оба коэффициента взаимосвязаны, так как при большой нелинейности вольтфаpадной характеристики интервал изменения емкости может быть перекрыт при меньших изменениях напряжения. Так, например, в ваpикапах со сплавным переходом коэффициент достигает 10 при изменении обратного напряжения от нуля до нескольких десятков вольт. В ваpикапах с резкой вольт-фаpадной характеристикой изменение напряжения в интервале от нуля до -10В обеспечивает величину .

1.1.6.3.2. Добротность варикапа

Качество ваpикапа оценивают добротностью , равной отношению реактивного сопротивления ваpикапа на заданной частоте сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости. Ваpикап может быть представлен эквивалентной схемой, которая изображена на рис. 1.1.13, тогда добротность рассчитывается по следующей формуле

, (1.1.24)

из которой видно, что добротность зависит от частоты.

Определим из (1.1.24) частоту, соответствующую максимальной добротности, для чего возьмем производную от данного выражения и приравняем ее к нулю.

Т

Рис.1.1.13. Эквивалентная схема варикапа

огда частота, соответствующая максимальной добротности определяется из выражения (1.1.25), сама максимальная добротность – выражением (1.1.26). График зависимости добротности от частоты представлен на рис.1.1.14.

, (1.1.25)

. (1.1.26)

В реальных ваpикапах отношение , вследствие чего формулы (1.1.25) и (1.1.26) можно записать следующим образом:

Рис. 1.1.14. График зависимости добротности от частоты

, (1.1.27)

. (1.1.28)

На низких частотах обычно сопротивлением базы пренебрегают, тогда добротность варикапа в этом случае можно определить как

. (1.1.29)

На высоких частотах сопротивление уменьшается (рис.1.1.13) и поэтому, в данном случае, можно пренебречь параллельным сопротивлением . В этом случае добротность варикапа определяется как:

(1.1.30)

Из соотношений (1.1.29) и (1.1.30) видно, что низкочастотные ваpикапы должны обладать высокими значениями и . Это требование удовлетворяется при использовании материалов с широкой запрещенной зоной, т.е. когда величина обратного тока на единицу площади перехода достаточно мала. Емкость при достигает сотых долей микрофарады.

Для высокочастотных ваpикапов необходимы минимальные значения и . Уменьшение сопротивления может быть получено за счет повышения концентрации примесей в базе, однако при этом снижается значение напряжения пробоя, что нежелательно. Для повышения напряжения пробоя необходимо использовать материалы с высокой подвижностью носителей. Рабочий диапазон частот ваpикапа оценивают значениями верхней и нижней частот, соответствующими минимально допустимому значению добротности (рис. 1.1.14). За минимальное значение добротности обычно принимают . Использование ваpикапа в параметрических системах при нецелесообразно, Поэтому в этих случаях принимают , например . Значение частоты , соответствующее называют критической частотой.

. (1.1.31)

Параметры ваpикапов существенно зависят от температуры, хотя ёмкость изменяется с температурой незначительно. С повышением температуры резко уменьшается сопротивление вследствие роста обратного тока. Ввиду этого на низких частотах заметно снижается добротность , поэтому ваpикапы удовлетворительно работают лишь при относительно невысоких температурах: для приборов на арсениде галлия , а для германиевых ваpикапов .

Зависимость параметров ваpикапа от температуры принято характеризовать температурным коэффициентом емкости ваpикапа и температурным коэффициентом добротности ваpикапа , где - интервал изменения температуры окружающей среды.