20-03-2013_10-45-00 / 7варикап

2

Варикап

Варикап¹ — это полупроводниковый конденсатор, емкость которого уменьшается с ростом (по модулю) обратного напряжения. Условное обозначение представлено на рис.1. Маркировка содержит 3 элемента: 1 буква указывает на материал из которого сделан ППП, 2 буква-назначение прибора (В-варикап, С-стабилитрон), следующие 3 цифры обозначают функциональное назначение: 101…199 Подстроечные варикапы; 201…299 Умножительные (Рис.2). Варикапы применяют в устройствах управления частотой колебательного контура, в параметрических схемах усиления, деления и умножения частоты, в схемах частотной модуляции, управляемых фазовращателях и т.д.

Зависимость емкости от напряжения смещения различна для варикапов, изготовленных методом диффузии или методом вплавления примесей, и определяется профилем легирования базы варикапа, что влияет на вид зависимости С(U): линейно убывающая, экспоненциально убывающая. На рис.6 кривая 1 – вольт-фарадная характеристика (ВФХ) варикапа, изготовленного по планарно–эпитаксиальной технологии, 2 – сплавного варикапа, 3 – диффузионного варикапа.

В сплавных варикапах с резким р-n-переходом зависимость барьерной емкости от напряжения смещения получается более резкая, чем в диффузионных. Связано это с тем, что глубина проникно­вения электрического поля в материал зависит от удельного сопро­тивления этого материала. В сплавном варикапе слои базы, приле­гающие к переходу, легированы равномерно, а в диффузионном — при удалении от перехода концентрация нескомпенсированных примесей увеличивается, т. е. уменьшается удельное сопротив­ление. ВФХ для сплавных и диффузионных варикапов аппроксимируются выражением на рис.3, где m – коэффициент нелинейности ВФХ (m=0,5 для сплавных, m=0,3 для диффузионных).

Основные параметры: Емкость варикапа Cв — емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении. Для различных варикапов емкость может быть от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад.

Максимальная емкость -С_max – емкость, измеренная при U_min. Минимальная емкость С_min– емкость, измеренная при U_max. Коэффициент перекрытия по емкости- (формула 5) отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений. Значение этого параметра составляет обычно несколько единиц (от 2 до 20). Добротность варикапа Q_в - отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Добротность (формула 4)— это величина, обратная тангенсу угла диэлектрических потерь. Ее измеряют обычно при тех же напряжениях смещения, что и емкость. Значение добротности — от нескольких десятков до нескольких сотен (20...400).

На низких частотах в эквивалентной схеме варикапа (рис.8) можно не учитывать малое сопротивление базы r_б по сравнению с боль­шим емкостным сопротивлением барьерной емкости и большим активным сопротивлением перехода. Т.о., упрощенная эквивалентная схема варикапа представ­ляет собой параллельное соединение барьерной емкости и сопро­тивления перехода. Для параллельной схемы замещения тангенс угла диэлектрических потерь и добротность определяются выражениями на рис. 10. Следовательно, добротность варикапа на НЧ растет с увеличением частоты, так как изменяется соотношение между реактивной и активной проводимостями варикапа (рис. 7). Для изготовления низкочастотных варикапов целесообразно использовать полупроводниковые материалы с большой шириной запрещенной зоны (кремний, арсенид галлия и т. д.).

На высоких частотах в эквивалентной схеме варикапа можно не учитывать большое активное сопротивление перехода по сравнению с малым парал­лельно включенным емкостным сопро­тивлением барьерной емкости. Но при этом нельзя пренебрегать сопротивлением базы, которое может оказаться сравнимым с емкостным сопротивле­нием барьерной емкости. Таким образом, на ВЧ упрощенная эквивалентная схема варикапа представляет собой последовательное соединение барьерной емкости и сопротивления базы. Для последовательной схемы замещения тангенс угла диэлектрических потерь и добротность определяются выражениями на рис.11. Из рис.7 видно, что добротность варикапа при высоких частотах уменьшается с увеличением частоты, так как уменьшается отношение реактивного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь. Варикапы в основном применяют на высоких и сверхвысоких частотах. Поэтому определение одного из основных параметров варикапа — добротности — соответствует именно последователь­ной схеме замещения. Для ВЧ варикапов применяют материалы с большой под­вижностью носителей заряда (арсенид галлия, германий с электропроводностью n–типа и т. д.). Рабочий диапазон частот варикапа определяется значениями минимально допустимой добротности Q_min. (последние формулы на рис.10 и 11).На рис.9 представлен график зависимости добротности ВЧ варикапа от обратного напряжения при различных частотах.

1 Варикап следует не путать с другими приборами с похожими названиями:

Варистор - резистор, сопротивление которого зависит от приложенного к нему напряжения.

Вариконд – нелинейный диэлектрический (сегнетоэлектрический) конденсатор, емкость которого зависит от приложенного напряжения. Изменение емкости происходит за счет изменения диэлектрической проницаемости.