- •Электроника и схемотехника
- •Аналоговых электронных
- •Устройств
- •Учебное пособие
- •1. Полупроводниковые приборы
- •1.1. Полупроводниковые диоды
- •1.1.1. Устройство и классификация полупроводниковых диодов
- •1.1.2. Физические процессы в p-n-переходе
- •1.1.3. Работа диода при подключении внешнего обратного напряжения
- •1.1.3.1. Тепловой ток диода
- •1.1.3.2. Токи генерации и утечки в реальных диодах
- •1.1.4. Работа диода при подключении внешнего прямого напряжения
- •1.1.5. Основные параметры диодов
- •1.1.5.1. Сопротивления диода
- •1.1.5.2. Емкости диода
- •1.1.6. Типы полупроводниковых диодов
- •1.1.6.1. Выпрямительные диоды
- •1.1.6.2. Стабилитроны
- •1.1.6.3. Варикапы
- •1.1.6.3.1. Вольт-фарадная характеристика варикапа
- •1.1.6.3.2. Добротность варикапа
- •1.1.6.4. Туннельный диод
- •1.1.6.4.1. Принцип квантово-механического туннелирования
- •1.1.6.4.2. Вольт-амперная характеристика туннельного диода
- •1.1.6.5. Импульсные диоды
- •1.1.6.6. Диоды с накоплением заряда
- •1.1.6.7. Диоды с барьером Шоттки
- •1.1.6.8. Лавинно пролетные диоды
- •1.1.6.9. Фотодиод
- •Рассмотрим общие характеристики фотодиодов.
- •1.2. Биполярные транзисторы
- •1.2.1. Устройство и режимы работы транзистора
- •1.2.2. Физические процессы, протекающие в транзисторе, работающем в активном режиме
- •1.2.3. Схемы включения, основные характеристики и параметры транзисторов
- •1.2.3.1. Схема включения транзистора с общей базой (об)
- •1.2.3.2. Основные параметры транзистора с об
- •1.2.3.3. Схема включения транзистора с общим эмиттером (оэ)
- •1.2.3.4. Выходные и входные характеристики транзистора , включенного по схеме с оэ
- •1.2.3.5. Параметры транзистора, включенного по схеме с оэ
- •1.2.3.6. Схема включения транзистора с общим коллектором (ок)
- •1.2.3.7. Параметры транзистора с ок
- •1.2.4. Эквивалентные схемы транзисторов
- •1.2.4.1. Эквивалентная схема транзистора в виде модели Эберса-Молла
- •1.2.4.2. Дифференциальные параметры и малосигнальные эквивалентные схемы транзистора
- •1.2.4.3. Эквивалентная схема транзистора в h-параметрах
- •1.2.4.5. Эквивалентная схема транзистора в y-параметрах
- •1.2.5. Инерционные свойства биполярного транзистора. Зависимость параметров биполярного транзистора от частоты.
- •1.2.5.1. Процессы в схеме с общей базой
- •1.2.5.2. Процессы в схеме с оэ
- •1.3. Полевые транзисторы
- •1.3.1. Транзисторы с управляющим p-n-переходом.
- •1.3.1.1. Устройство и принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
- •1.3.2. Полевой транзистор, включенный по схеме с ои а) с n-каналом,
- •1.3.2. Дифференциальные параметры.
- •1.3.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором.
- •1.4. Тиристоры
- •1.5. Интегральные схемы
- •1.6. Полупроводниковые датчики и индикаторные приборы
- •1.6.1. Полупроводниковые датчики температуры
- •1.6.2. Магнитополупроводниковые приборы
- •1.6.3. Приборы с зарядовой связью
- •1.6.4. Фотоэлектрические приборы. Понятие об оптоэлектронных приборах.
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
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
, (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
. (1.1.28)
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.