2.1.3. Варикапи
Варикапами називають напівпровідникові діоди, у яких використовується бар’єрна ємність закритого n-p переходу. Ця ємність залежить від величини прикладеної до діода зворотної напруги.
При відсутності зовнішньої напруги між р- і n-областями існує контактна різниця потенціалів (потенціальний бар’єр Eбар = U0, див. ч. 2, п. 1.3.1) і внутрішнє електричне поле. Якщо до діода прикласти зворотну напругу, то висота потенціального бар’єра між р- і n-областями зросте на величину прикладеної напруги, зросте і напруженість електричного поля в n-p переході. Зовнішня зворотна напруга виштовхує електрони глибше всередину n-області, а дірки – всередину р-області. У результаті відбувається розширення області n-p переходу тим більше, чим вища зворотна напруга.
Величина бар’єрної ємності діода C може бути визначена з формули
,
де ε – відносна діелектрична проникність напівпровідника; S – площа, n-p переходу; d – ширина n-p переходу.
Наведена формула аналогічна формулі визначення ємності плаского конденсатора. Однак, у звичайному конденсаторі відстань між його пластинами, а отже, і його ємність не залежать від напруги, прикладеної до конденсатора. Ширина ж n-p переходу залежить від величини прикладеної до нього напруги, отже і бар’єрна ємність залежить від напруги: при зростанні закриваючої напруги ширина р-п переходу збільшується, а його бар’єрна ємність меншає.
Отже, зміна зворотної напруги, прикладеної до n-p переходу, призводить до зміни бар’єрної ємності між р- і n-областями.
О
сновною
характеристикою варикапа
є
залежність його ємності
від величини зворотної
напруги
(вольт-фарадна
характеристика).
Типова
характеристика
Сб = f(Uзв)
показана на рис. 2.10.
В залежності від призначення величина номінальної ємності варикапів може бути в межах від кількох пікофарад до сотень пікофарад. Залежність ємності варикапа від прикладеної напруги визначається технологією виготовлення р-п переходу.
Параметри варикапів:
Номінальна ємність Сном – ємність між виводами варикапа при номінальній напрузі зміщення.
Максимальна ємність Смах – ємність варикапа при заданій напрузі зміщення.
Мінімальна ємність Сmin – ємність варикапа при заданій максимальній напрузі зміщення.
Коефіцієнт перекриття КС – відношення максимальної ємності діода до мінімальної.
Добротність Q – відношення реактивного опору варикапа до повного опору втрат, виміряного на номінальній частоті при температурі 20°С.
Максимально допустима напруга Umах – максимальне миттєве значення змінної напруги, що забезпечує задану надійність при тривалій роботі.
Температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ) – відношення відносної зміни ємності при заданій напрузі до зміни абсолютної температури навколишнього середовища, що її викликала.
Максимально допустима потужність Рмах – максимальне значення потужності, що розсіюється на варикапі, при якому забезпечується задана надійність при тривалій роботі.
Основне застосування варикапа – електронна настройка коливальних контурів. На рис. 2.11-а наведена схема включення варикапа в коливальний контур. Контур утворений індуктивністю L і ємністю варикапа Св. Розділовий конденсатор Ср запобігає закорочування варикапа по постійному струму індуктивністю L. Ємність конденсатора Ср повинна бути в кілька десятків разів більшою за ємність варикапа.
а) б)
Рис. 2.11.
Керуюча постійна напруги U подається на варикап з потенціометра R2 через високоомний резистор R1. Перенастройка контуру здійснюється переміщенням движка потенціометра R2. Наведена схема має певний недолік – напруга високої частоти, що утворюється в контурі впливає на варикап, змінюючи його ємність. Це призводить до розстроювання контуру. Включення варикапів по схемі, наведеній на рис. 2.11-б, дозволяє значно зменшити розстроювання контуру при дії змінної напруги. Тут варикапи включені по високій частоті послідовно назустріч один одному. Тому при будь-якій зміні напруги на контурі ємність одного варикапа збільшується, а іншого меншає, отже загальна ємність в контурі залишається незмінною По постійній керуючій напрузі варикапи включені паралельно.