4.3. Варикапы

Ранее указывалось, что ширина p-n-перехода и его емкость зависят от приложенного к нему напряжения.

Варикап – это полупроводниковый диод, который используется в качестве электрически управляемой емкости.

В варикапах используется свойство барьерной емкости обратно-смещенного p-n-перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Барьерная емкость p-n-перехода равна емкости плоского конденсатора:

, (4.8)

где S – площадь p-n-перехода; X_n – ширина области объемных зарядов.

С увеличением величины обратного напряжения U_обр на p-n-переходе его барьерная емкость С_б уменьшается. Характер изменения С_б в зависимости от приложенного к p-n-переходу напряжения U_обр показан на рис. 4.8. Функциональная зависимость емкости варикапа от напряжения определяется профилем легирования базы варикапа. В случае однородного легирования емкость обратно пропорциональна корню из приложенного напряжения. Задавая профиль легирования в базе варикапа N_D(x), можно получить различные зависимости емкости варикапа от напряжения C(U) – линейно убывающие, экспоненциально убывающие. Емкость варикапа меняется в широких пределах и его значение при обратном приложенном напряжении U определяют из выражения

, (4.9)

где С_в(0) – емкость при U = 0; _к – значение контактной разности потенциалов равное

, (4.10)

n = 2 для резких переходов и n = 3 для плавных переходов.

Варикапы изготовляют на основе германия, кремния, арсенида галлия.

Рис. 4.8. Зависимость емкости варикапа

от напряжения смещения

Основные параметры варикапа: номинальная (начальная) емкость С_ном; добротность Q_в, коэффициент перекрытия по емкости К_с и температурный коэффициент емкости (ТКЕ) _Св.

Номинальная емкость варикапа С_ном – барьерная емкость p-n-перехода при заданном напряжении смещения и составляет от долей пФ до сотен пФ.

Коэффициент перекрытия по емкости К_с – отношение емкости варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений:

. (4.11)

С_макс ограничивается емкостью при U = 0, т.е. С(0). С_мин ограничивается обратным допустимым напряжением. К_с позволяет определить величину изменения емкости в диапазоне рабочих напряжений от U_мин до U_макс (U_макс по абсолютной величине может достигать 200 В). Характерные значения К_с составляют 2 – 20, причем если плавные и резкие p-n-переходы имеют обычно К_с  4, то в случае сверхрезких p-n-переходов К_с имеют большие значения.

Добротность Q_в – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала Х_с к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Q_в измеряют обычно при тех же обратных напряжениях, что и емкость варикапа. Как правило, варикапы работают в диапазоне высоких и сверхвысоких частот (f > 1 МГц), для которых

, (4.12)

где r – последовательное (по отношению к С) сопротивление диода, включающее сопротивление потерь в объеме кристалла полупроводника, сопротивление контакта и элементов конструкции. В настоящее время достигнуты значения Q_в > 500 на f = 50 МГц при С = 70 пФ.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) _Св – отношение относительного изменения емкости к вызывающему его абсолютному изменению температуры окружающей среды, т.е., другими словами относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на 1 градус:

. (4.13)

Для кремниевых варикапов с резким p-n-переходом ТКЕ имеет значение порядка 5·10^–4 град^–1 при |U| = 4 В. С усилением зависимости емкости варикапа от напряжения, а также при понижении U_мин ТКЕ 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 колебательного контура.