2.7 Варикапи

Варикапи – це напівпровідникові діоди, у яких використовується залежність бар’єрної ємності  переходу від зворотної напруги. Варикапи поділяють на підстроювальні (третій елемент позначення – 1) і варактори (третій елемент – 2).

Підстроювальні варикапи використовують, наприклад, для електронного підстроювання резонансної частоти коливальних контурів (рис. 2.11). На схемі рис. 2.11 конденсатор С запобігає замиканню напруги зміщення через котушку індуктивності . Ємність конденсатора значно перевищує бар’єрну ємність варикапа . Тому резонансна частота контуру дорівнює

, (2.5)

де  ємність варикапа.

Регулюючи напругу зміщення, яка подається на варикап з потенціометра через резистор , можна змінювати ємність приладу, а отже, і резонансну частоту контура. Резистор запобігає можливості шунтування коливаль­ного контуру при переміщенні повзунка потенціометра. Опір вибирають більшим, ніж резонансний опір контуру.

Варактори, які мають виражену нелінійну вольт-амперну характеристику, використовують у пристроях параметри­чного підсилення і помноження частоти.

Рисунок 2.11 – Схема ввімкнення варикапа

Основні параметри варикапів: номінальна ємність, виміряна при даній зворотній напрузі ; максимально допустима зворотна напруга ; добротність варикапа, яка визначається відношенням реактивного опору до опору втрат.

Розглянемо вплив параметрів еквівалентної схеми діодів (рис. 1.17 б) на добротність варикапа.

Комплексний опір діода при зворотному включенні:

. (2.6)

З формули (2.6) випливає, що реактивна складова опору діода

, (2.7)

а активна –

. (2.8)

З формул (2.7) та (2.8) можна записати вираз для добротності варикапа:

. (2.9)

В області низьких частот

і . (2.10)

В області високих частот , і тоді

. (2.11)

З виразів (2.10) та (2.11) випливає, що з метою збільшення добротності варикапа необхідно збільшувати зворотний опір його  переходу і зменшувати опір бази.

Для виконання першої умови варикапи виготовляють з кремнію. Для одержання малого опору бази для варикапа використовують структуру , в якій база складається з двох шарів: і (рис. 2.12); - шар бази має малу товщину, тому при зворотному вмиканні весь  перехід розміщується в цьому шарі. Опір бази в цьому випадку утворено лише сильнолегованою -областю, і тому він має малу величину. Ця структура, крім того, дозволяє значно збільшити зворотну напругу варикапа.

Рисунок 2.12 – Напівпровідникова структура варикапа

2.8 Діоди Шотткі

Діод Шотткі – це напівпровідниковий діод, провідні властивості якого ґрунтуються на застосуванні випрямного контакту металу зі збідненим шаром напівпровідника.

Як відомо, при співвідношенні робіт виходу електронів з металу і напівпровідника < або < у приконтактній області напівпровідника можна сформувати збіднений шар, який забезпечує вентильні властивості контакту (несиметрію ВАХ). При цьому випрямна дія діодів з такими контактами «метал-напівпровідник» (діодів Шотткі) ґрунтується на перенесенні заряду лише основними носіями, і тому в цих приладах відсутнє явище інжекції неосновних носіїв при вмиканні, а відтак явище екстракції при вимиканні. Оскільки ці явища є інерційними у часі, то діоди Шотткі, позбавлені їх, виявляють підвищену порівняно з діодами на основі  переходу швидкодію.

На швидкодію і частотні властивості діодів Шотткі також суттєво впливають бар’єрна ємність контакту і розподілений опір бази. Зменшення першої досягається збільшенням товщини збідненого шару, що додатково впливає на збільшення пробивної напруги діода і зменшення ймовірності небажаного тунельного ефекту на потенційному бар’єрі. Зниження другого досягається збільшенням концентрації домішок у базі діода (для поліпшення частотних властивостей застосовують n-бази, бо електрони мають рухомість вищу, аніж дірки). Якщо мінімізація ємності контакту і опору бази є процесами суперечливими (адже одночасне задовільнення цих умов вимагає відповідно зменшувати концентрацію донорних домішок і разом з тим збільшувати її), то у конструкції діодів Шотткі доцільно застосовувати двошарову базу (рис. 2.13), де n-шар низьколегований, і в ньому переважно розміщується збіднена область бар’єра Шотткі, а n⁺-шар – високолегований, бо саме він забезпечує мале значення розподіленого опору бази.

Рисунок 2.13 - Будова діодів Шотткі

Таким чином, будова діодів Шотткі може бути такою, як показано на рис. 2.13.

На рисунку: 1 – металевий анод; 2 – прошарок оксиду; 3 – р-області для створення запобіжного  переходу (таке «запобіжне кільце» дозволяє усунути периферійні лавинні пробої структури і через це збільшити напругу пробою до 250 В у потужних приладах); 4 – область просторового заряду (власне бар’єр Шотткі); 5 – активний шар бази; 6 – сильнолегована підкладка; 7 – омічний контакт катода.

Ще однією перевагою діодів Шотткі є менше падіння напруги на приладі у відкритому стані (рис. 2.14).

Рисунок 2.14 - Прямі гілки ВАХ:

1 – діода Шотткі; 2 – діода на основі p-n  переходу

Недоліком діодів Шотткі є більші приблизно на 3 порядки зворотні струми порівняно з діодами на основі p-n  переходу.

Потужні діоди Шотткі з площею переходу в декілька квадратних міліметрів при В, А і граничною частотою кілька сотень кГц застосовуються в перемикачах джерел живлення. Швидкодіючий бар’єр Шотткі широко використовується в ТТЛ-мікросхемотехніці.