Варикапы

Варикапами (или варикондами) называют полупроводниковые диоды, у которых используется зависимость барьерной ёмкостиp-n перехода от обратного напряжении.

УГО

Основная (вольтфарадная характеристика)

Эквивалентная схема

варикапа

Варикап в электрических схемах используется как конденсатор с управляемой напряжением ёмкостью

где – С_В – ёмкость варикапа при U_обр=0;

U_к – контактная разность потенциалов;

U_обр – величина обратного напряжения;

n=2 – для резких переходов;

n=3 – для плавных переходов.

В отличие от обычных диодов варикапы имеют гарантированный и увеличенный диапазон изменения ёмкости, а также малые объемные сопротивления p- и n- областей и увеличенное сопротивление p-n перехода.

Основные параметры варикапов.

1.	Cном	– номинальная (общая) ёмкость – ёмкость между выводами при номинальном (заданном) напряжении смещения (обычно Uсм=4В) (от десятков до сотен пФ);
2.	Cmax	– максимальная ёмкость при заданном напряжении смещения;
3.	Cmin	– минимальная ёмкость при заданном напряжении смещения;
4.	Kc	– коэффициент перекрытия по ёмкости ;
5.	rп	– сопротивление потерь – суммарное активное сопротивление;
6.	QB	– добротность – отношение реактивного сопротивления на заданной частоте переменного сигнала(Xc) к сопротивлению потерь: (десятки – сотни единиц);
7.	Umax	– максимальное допустимое мгновенное напряжение, обеспечивающее заданную надёжность;
8.	TKE	– температурный коэффициент ёмкости (2*10-2 ÷ 6*10-4 1/К).

Основное применение варикапов – электронная настройка колебательных контуров.

С_р – разделительный конденсатор. Исключает шунтирование С_д по постоянному току.

R₁ – большой номинал, исключающий уменьшение добротности.

Существенный недостаток – напряжение ВЧ влияет на варикап, изменяя его ёмкость, что ведет к расстройке контура.

Здесь уменьшена расстройка контура

Туннельные диоды.

УГО –

Туннельный диод – это полупроводниковый прибор, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через р-n переход при прямом напряжении на нём и в ВАХ которого имеется область отрицательного дифференциального сопротивления.

Явление туннельного эффекта в полупроводниках было открыто в 1958г. Японским ученым Лео Есаки.

Туннельный эффект заключается в том, что электроны проходят через потенциальный барьер p-n перехода, не изменяя своей энергии.

Для получения туннельного эффекта используется полупроводниковый материал (Gе, GaAs) с очень большой концентрацией примесей (до 10²¹ примесных атомов в 1см³), в то время, как для обычных полупроводников 10¹⁵/см³. Полупроводники с таким высоким содержанием примесей называются вырожденными. При этом ширина p-n перехода оказывается очень малой (не более 0,01мкм), что приводит к значительному повышению напряженности электрического поля на переходе (около 10⁸В/м). В этих условиях имеется конечная вероятность того, что электрон, который движется к очень узкому переходу, пройдет сквозь него (как через «туннель») и займет свободное состояние с такой же энергией по другую сторону от барьерного слоя.

Как известно, в вырожденных полупроводниках уровни Ферми расположены внутри зоны проводимости полупроводников n-типа и внутри валентной зоны для полупроводников p-типа.

При , уровни Ферми совпадают, т.к. величина энергии на уровни Ферми должна быть одинаковой по всей структуре (а).

Внутри p-n перехода границы энергетических зон полупроводников p- и n-типов искривляются.

Между границей W_в полупроводника p-типа и границей W_п полупроводника n-типа образуется зона перекрытия. В этой зоне разрешенные уровни в разных полупроводниках расположены друг против друга. При этом возникают условия для туннельного перехода электронов из одного слоя в другой сквозь потенциальный барьер. Однако, для этого необходимо, чтобы против уровня в n-области, занятого электроном, имелся свободный уровень в p-области (за барьером). При (рис.а) такой возможности фактически нет (ниже уровня все уровни заняты), в результате ток через переход равен нулю.

Если к переходу приложить небольшое прямое напряжение (рис.б), энергетическая диаграмма полупроводников n-типа поднимется вверх, а p-типа – опустится вниз. В этом случае уровни некоторых электронов n-области расположатся против свободных уровней валентной зоны p-области, и возникнут условия для туннельного перехода электронов из электронного полупроводника в дырочный.

Через p-n переход потечет туннельный ток, величина которого будет зависеть от величины . Следует иметь ввиду, что при кроме туннельного тока течет и диффузионный ток, хотя он и очень мал, следовательно полный прямой ток через переход будет:

ВАХ p-n перехода с туннельным эффектом:

Основной особенность ВАХ туннельного перехода является наличие падающего участка характеристики (участок АВ). Эта особенность объясняется следующим образом: увеличение прямого напряжения, с одной стороны, увеличивает туннельный ток (участок ОА), а с другой, - уменьшает напряженность поля в p-n переходе. При , когда напряженность поля в переходе резко снижается, туннельный ток прекращается. При (рис.в) ВАХ соответствует уменьшению туннельного тока, при ВАХ соответствует в основном диффузионному току через p-n переход (туннельный ток становится равным нулю).

При подаче на p-n переход обратного напряжения (, рис.г) энергетическая диаграмма полупроводника n-типа опускается вниз, а p-типа – поднимается вверх. Ширина зоны перекрытия увеличивается, что приводит к росту обратного туннельного тока, поскольку возникают условия для свободного туннельного перехода валентных электронов p-обрасти в зону проводимости n-области. I_обр. зависит от U_обр., поэтому односторонняя проводимость p-n перехода при туннельном эффекте полностью отсутствует.

На участке АВ ВАХ p-n переход оказывает переменному току некоторое отрицательное сопротивление (дифференциальное) –

Отрицательное дифференциальное сопротивление служит удобным математическим символом, а не реальной физической величиной.

Уменьшение тока с ростом напряжения эквивалентно сдвигу фазы на 180˚. Поэтому мощность переменного сигнала, равная произведению тока на напряжение, на участке АВ будет иметь отрицательный знак. Это показывает, что туннельный диод на участке АВ не потребляет мощности переменного сигнала, а отдает её во внешнюю цепь.

С помощью отрицательного сопротивления можно скомпенсировать потери, вносимые в схему положительным сопротивлением и, т.о., в зависимости от поставленной задачи осуществить усиление, преобразование и генерирование незатухающих электрических сигналов.