Варикапы

Варикап — это полупроводниковый диод, предназначенный для использования в качестве конденсатора, управляемого напряжением.

Варикапы работают при обратном смещении p-n-перехода, и используется барьерная емкость. При увеличении обратного напряжения емкость варикапа уменьшается по закону

,

где С(U) — емкость диода; С₀ — емкость диода при U=0; 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.3.7.

Варикап, предназначенный для умножения частоты сигнала, называют варактором.

Эквивалентная схема варикапа (рис.3.8) содержит барьерную емкость, сопротивление обратно смещенного p-n-перехода r₌ (которое очень велико) и последовательное сопротивление r_s, которое включает сопротивления базы и контактов и должно быть как можно меньше. В идеальном случае r_s=0, r₌= варикап являлся бы идеальным конденсатором. Степень приближения к идеалу определяется добротностью – отношением реактивной мощности к активной мощности потерь:

Q =P_реак/P_акт=X_c/r_пот

где X_c – реактивное сопротивление варикапа, r_пот – сопротивление активных потерь. Добротность зависит от частоты сигнала:

(3.1)

Добротность достигает максимального значения на частоте ω=ω_опт= (рис.3.9).

К основным параметрам варикапа относят:

1. Общая емкость варикапа С – емкость, измеренная при определенном обратном напряжении (измеряется при U=5В и составляет десятки – сотни пФ).

2. коэффициент перекрытия по емкости К_пер =С_max/С_min— отношение емкостей варикапа при двух крайних значениях обратного напряжения (К_пер=58);

3. добротность варикапа Q;

4. Обратный ток варикапа I_обр – постоянный ток, протекающий через варикап в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

К параметрам предельного режима относят максимально допустимое постоянное обратное напряжение U_mах и максимально допустимую рассеиваемую мощность Р_mах.

В арикапы обычно используют для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров. Схема включения варикапа показана на рис.3.10 а; L_к и C_к – индуктивность и емкость контура, R – переменный резистор, для установки необходимого напряжения смещения варикапа, С_р и R_р – разделительные конденсатор и резистор, препятствующие проникновению высокочастотного напряжения в цепь смещения и постоянного тока в колебательный контур. C(U) – ёмкость варикапа. Емкость С_р выбирается достаточно большой величины С_р>>C_к, так что для переменной составляющей является коротким замыканием и емкость C(U) включена параллельно C_к. Резонансная частота управляется напряжением:

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. 3.5б. Здесь два варикапа включены встречно-последовательно. При этом высокочастотное напряжение контура приложено к ним в разной полярности и на общую емкость не влияет.

Туннельные и обращенные диоды.

Принцип действия туннельных и обращенных диодов основан на туннельном эффекте – прохождении электронов сквозь потенциальный барьер без изменения своей энергии. В туннельном диоде применяются сильно легированные (вырожденные) полупроводники с концентрацией примесей 10¹⁹-10²⁰ см^-3, p-n-ширина перехода при этом составляет около 0,01 мкм. При такой концентрации уровень Ферми оказывается в разрешенной зоне: в p-области в валентной зоне и в n-области – в зоне проводимости, и туннельный эффект проявляется не только при обратном смещении, как при туннельном пробое, но и при прямом.

Н а рис.3.11 приведено условное изображение и ВАХ туннельного диода (ТД), пунктиром на графике показана также ВАХ обычного диода. Туннельный ток растет при прямом смещении, достигая максимума в точке B, затем уменьшается до нуля в точке C. Дальнейшее увеличение тока обусловлено диффузионным током – прохождением носителей над барьером.

На падающем участке ВАХ (участок АС) ТД имеет отрицательное дифференциальное сопротивление R_диф=U/I|_АС=r_-0, т.е. обладает усилительными свойствами. 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.

Т уннельный эффект возможен лишь в случае, когда по другую сторону барьера есть незаполненные разрешенные уровни с той же энергией. На рис.3.12 приведены энергетические диаграммы, объясняющие вид ВАХ туннельного диода.

Вероятность заполнения уровня Ферми равна ½, и в первом приближении можно считать, что все уровни, расположенные выше уровня Ферми, не заполнены, а уровни, лежащие ниже, заполнены полностью (на рис.3.12 они заштрихованы). В равновесном состоянии уровень Ферми W_F одинаков во всех областях (т. 0 на рис.3.12), туннелирование электронов равновероятно в ту и другую сторону. При прямом смещении p-n-перехода увеличивается степень перекрытия заполненных и незаполненных уровней по разные стороны барьера, электроны проникают из заполненных уровней зоны проводимости n-области на незаполненные уровни валентной зоны p-области, туннельный ток растет, достигая максимума в точке B, где перекрытие максимально. При дальнейшем увеличении смещения степень перекрытия и туннельный ток уменьшаются и в точке С обращаются в нуль – по другую сторону барьера для заполненных уровней оказывается запрещенная зона. При U>U_вп ток растет вследствие прохождения носителей над барьером (т. D) – инжекции носителей. При обратном смещении p-n-перехода электроны туннелируют из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области (т. A).

Ч астотные свойства диода, работающего при малых уровнях сигнала на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением, определяются параметрами элементов эквивалентной схемы (рис.3.13), сам процесс туннелирования занимает очень короткий промежуток времени – 10^-13–10^-14 с. На этом участке практически нет еще инжекции и емкость диода является барьерной емкостью p-n-перехода. Активная составляющая полного сопротивления имеет отрицательный знак вплоть до частоты

, (3.2)

которая называется предельной резистивной частотой.

ТД имеет также резонансную частоту f₀

(3.3)

При этом должно обеспечиваться условие f₀> f_R.

Основные параметры туннельного диода следующие: пиковый ток I_п — прямой ток в точке максимума ВАХ; ток впадины I_вп — прямой ток в точке минимума его характеристики; отношение токов I_п/I_вп; напряжение пика U_п — прямое напряжение, соответствующее току пика; напряжение впадины U_вп— прямое напряжение, соответствующее току впадины; напряжение раствора U_p — прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому; индуктивность L_s — полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях; удельная емкость С_д/I_п — отношение емкости туннельного диода к пиковому току; дифференциальное сопротивление r_- на падающем участке ВАХ; резонансная частота туннельного диода f_о; предельная резистивная частота f_R; К_ш — коэффициент шума диода; сопротивление потерь туннельного диода r_s — 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.3.14. Назначение элементов: R₁, R₂ – резисторы, задают рабочую точку туннельного диода на середине участка ВАХ с отрицательным сопротивлением; L_k, – колебательный контур; С_бл – ёмкость блокировочная, по переменной составляющей она подключает туннельный диод параллельно к колебательному контуру.

Т уннельный диод, включённый параллельно колебательному контуру компенсирует своим отрицательным сопротивлением компенсирует сопротивление потерь колебательного контура, поэтому колебания в нем не затухают.

О бращенные диоды являются разновидностью туннельных. В них концентрация примесей несколько меньше, чем в туннельных (10¹⁸-10¹⁹ см^-3). В идеальном случае уровень Ферми совпадает с потолком валентной зоны в p-области и с дном зоны проводимости в n-области. За счет этого у них отсутствует участок с отрицательным сопротивлением. На прямой ветви имеется практически горизонтальный участок (рис.3.15) до напряжений 0,3-0,4В. В этих диодах, для малых переменных сигналов, прямую ветвь можно считать непроводящей ток, а обратную – проводящей. Отсюда и название этих диодов. Обращенные диоды используются для выпрямления СВЧ сигналов малых амплитуд (100-300)мВ.