Вопрос 19

2.8 Варикапы

Варикап - это полупроводниковый диод, предназначенный для использования в качестве конденсатора, емкость которого зависит от величины обратного напряжения. При увеличении обратного напряжения емкость варикапа уменьшается по закону

(1-10)

где — емкость диода при нулевом обратном напряжении, здесь S_p-n – площадь р-n-перехода, l_p-n – ширина р-n-перехода; φ_к — контактная разность потенциалов; — коэффициент, зависящий от типа варикапа (= 1/2- 1/З); U – обратное напряжения на варикапе.

Условное обозначение варикапа и график зависимости С(u) приведены на рис. .

Варикап, предназначенный для умножения частоты сигнала, называют варактором.

К основным параметрам варикапа относят:

Общая емкость варикапа Св – емкость, измеренная при определенном обратном напряжении (измеряется при U=5В и составляет десятки – сотни рФ)

коэффициент перекрытия по емкости Кп =С_{в max}/С_{в min}— отношение емкостей варикапа при двух крайних значениях обратного напряжения (К_п=5-8 раз);

добротность варикапа Q=Х_с/r_п где X_c – реактивное сопротивление варикапа; r_п – сопротивление активных потерь;

обратный ток варикапа 1обр — постоянный ток, протекающий через варикап в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

К параметрам предельного режима относят максимально допустимое постоянное обратное напряжение U_{обр mах} и максимально допустимую рассеиваемую мощность Р_mах

Варикапы обычно используют для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров. Схема включения варикапа показана на рис. ;Lк - катушка индуктивности контура и C(_U) – емкость контура - ёмкость варикапа; - резонансная частота колебательного контура; С_р и L_р – разделительные конденсатор и катушка индуктивности,. С_р - устраняет шунтирования варикапа индуктивностью по постоянному току С_р>>C_к, L_р.- устраняет шунтирование колебательного контура по переменному сигналу; R – переменный резистор, для установки необходимого напряжения на варикапе.

Недостатком такой схемы является то, что емкость варикапа зависит не только от управляющего напряжения U, но и зависит от амплитуды высокочастотного напряжением на контуре. Этот недостаток устраняется в схеме рис. 3.5 б. Здесь два варикапа включены встречно-последовательно. При этом высокочастотное напряжение контура приложено к ним в разной полярности и на общую емкость не влияет.

Вопрос 20

2.9. Туннельные и обращенные диоды

На границе сильно легированных (вырожденных) p-n структур с концентрацией примеси имеет место туннельный эффект. Он проявляется в том, что при прямом смещении на ВАХ появляется спадающий участок с отрицательным сопротивления рис. . На этом участке (участок АВ) дифференциальное сопротивление становится отрицательным R_диф = U/I|_АВ=r_- 0. Пунктиром на графике показана ВАХ диода.

Это позволяет использовать такой диод в усилителях и генераторах электрических колебаний в диапазоне СВЧ, а также в импульсных устройствах. Качество диода определяют протяженность и крутизна «падающего» участка ВАХ. Частотные свойства диода, работающего при малых уровнях сигнала на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением, определяются параметрами элементов эквивалентной схемы (рис. 1.6,6). Активная составляющая полного сопротивления имеет отрицательный знак вплоть до частоты

f_R=((r_диф/Rп)-1)^1/2/(2r_дифC) (1.11)

При малых значениях обратного смещении ток туннельного диода резко возрастает. Это связанно с туннельным пробоем, возникающим при высокой концентрации примесей.

Основные параметры туннельного диода следующие: пиковый ток I_п — прямой ток в точке максимума ВАХ; ток впадины I_В — прямой ток в точке минимума его характеристики, отношение токов Iп/Iв; напряжение пика Uп — прямое напряжение, соответствующее току пика; напряжение впадины U_В — прямое напряжение, соответствующее току впадины; напряжение раствора U_p — прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому; индуктивность L_Д — полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях; удельная емкость С_д/I_п — отношение емкости туннельного диода к пиковому току; дифференциальное сопротивление г_диф — величина, обратная крутизне ВАХ; резонансная частота туннельного диода f_о — расчетная частота, при которой общее реактивное сопротивление р-n-перехода и индуктивности корпуса туннельного диода обращается в нуль; предельная резистивная частота f_R — расчетная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из р-n-перехода и сопротивления потерь, обращается в нуль; шумовая постоянная туннельного диода К_ш — величина, определяющая коэффициент шума диода; сопротивление потерь туннельного диода R_n — суммарное сопротивление кристалла, контактных присоединений и выводов.

К максимально допустимым параметрам относят максимально допустимый постоянный прямой ток туннельного диода I_{пр max}, максимально допустимый прямой импульсный ток I_{пр.и max} максимально допустимый постоянный обратный ток I_{обр mах}, максимально допустимую мощность СВЧ Р_{свч mах}, рассеиваемую диодом.

Схема генератора гармонических колебаний на ТД приведена на рис. . Назначение элементов: R₁, R₂ – резисторы, задают рабочую точку туннельного диода на середине участка ВАХ с отрицательным сопротивлением; L_k, C_k – колебательный контур; С_бл - ёмкость блокировочная, по переменной составляющей она подключает туннельный диод параллельно к колебательному контуру.

Туннельный диод, включённый параллельно колебательному контуру компенсирует своим отрицательным сопротивлением сопротивление потерь колебательного контура, а потому колебания в нем могут продолжаться бесконечно долго.

Обращенные диоды являются разновидностью туннельных диодов. В них концентрация примесей несколько меньше чем в туннельных. За счет этого у них отсутствует участок с отрицательным сопротивлением. На прямой ветви до напряжений 0,3-0,4В имеется практически горизонтальный участок с малым прямым током (рис. .), в то время как ток обратной ветви начиная с малых напряжений, за счет туннельного пробоя, резко возрастает. В этих диодах, для малых переменных сигналов, прямую ветвь можно считать не проводящей ток, а обратную – проводящей. Отсюда и название этих диодов.

Обращенные диоды используются для выпрямления СВЧ сигналов малых амплитуд (100-300)мВ.