4.5. Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, используе­мый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем исполь­зуется свойство р-n-перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения.

Значение добротности варикапа на низких частотах ;

на высоких частотах –

Температурный коэффициент емкости , гдеТ и – изменения температуры и емкости варикапа.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шотки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

Добротность колебательной системы характеристика резонансных свойств системы, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду при его отсутствии. Чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии в ней за период.

Основное применение варикапов – электрическая перестройка частоты колебательных контуров. Зависимость его емкости от напряжения отражает вольт-фарадная характеристика, подобная зависимости барьерной емкости p-n-перехода от приложенного к нему обратного напряжения. В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и ум-ножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах ис­пользуется и диффузионная емкость.

4.6. Туннельные и обращенные диоды

Туннельными являются полупроводниковые диоды, в которых используется тун­нельный эффект, приводящий к появлению на прямой ветви ВАХ участка с отрица­тельным дифференциальным сопротивлением (рис. 4.3). Они используются и в каче­стве сверхскоростных переключателей. Эти диоды изготовляют из сильнолегирован­ных (вырожденных) арсенида галлия или германия. Ширина обедненного слоя р-n-перехода туннельных диодов из-за боль­шой концентрации примеси очень мала (около 10 нм, т.е. в сотни раз меньше, чем у других диодов). Кроме того, уровни Ферми вырожденных областей находятся в зоне проводимости и валентной зоне. Теория и экс­перимент показывают, что при обратных и небольших (около 100...200 мВ) прямых напряже­ниях появляется дополнитель­ный ток, объясняемый кванто­вой природой туннельного эф­фекта. При этом эффекте час­тица (электрон) способна пройти сквозь потенциальный барьер без изменения своей энергии на свободный энергетический уровень.

На рис. 4.3 кроме ВАХ показаны зонные диаграммы, соответствующие характер­ным точкам ВАХ, и указаны направления движения носителей. При увеличении пря­мого напряжения туннельный ток вначале возрастает и достигает максимального значения. При дальнейшем увеличении туннельный ток убывает до нуля, но при этом начинает увеличиваться прямой ток, соответствующий инжекции носителей и опре­деляемый прохождением над потенциальным барьером. Таким образом, прямой ток туннельного диода представляет собой сумму сначала нарастающего, а затем пада­ющего до нуля при увеличении U туннельного тока и обычного, связанного с инжекцией, т.е. диффузионного тока. В результате этого на ВАХ появляется участок спада прямого тока (М-образная ВАХ). При подаче обратного напряжения туннельный об­ратный ток резко возрастает, приводя к туннельному пробою (см. § 3.5.3).

Туннельный эффект развивается за 10^-14...10^-13c, поэтому туннельные диоды могут использоваться на СВЧ. Частотный предел работы таких диодов ограничивает­ся только собственными реактивностями (ем­костями р-n-перехода и корпуса), а также инду­ктивностью вывода.

Туннельный диод представляет собой полу­проводниковый прибор, работающий при малых напряжениях (десятые доли вольта) и относи­тельно небольших токах (единицы миллиампер).

При снижении степени легирования одной из областей сильнолегированного р-n-перехода тун­нельный эффект проявляется слабо и туннель­ный ток прямой ветви ВАХ становится незначи­тельным. Диоды, обладающие большим туннель­ным обратным и малым туннельным прямым то­ками, называются обращенными (рис. 4.4) и используются в схемах переключения в наносекундном и пикосекундном диапазонах, а так­же для детектирования СВЧ–сигналов.

Основными параметрами ВАХ туннельных диодов являются:

• пиковый ток и ток впадины– прямые токи в точках максимума и минимума ВАХ, а также соответствующие этим токам напряжения пикаи впадины;

• напряжение раствора (раскрыва) , при котором ток при увеличении прямо­го напряжения становится равным пиковому току;

• отрицательное дифференциальное сопротивление (десятки – сотни Ом). Для туннельных диодов из германия/=4...6,=40...100MB, =300...450 мВ, а из арсенида галлия/до 10 и выше,= 100...200 мВ,=400...600 мВ.