Варикап

2.1 Теоретические сведения

2.1.1 Принцип работы и вольт-фарадная характеристика

Варикап предназначен для использования в качестве электрически управляемой емкости. Принцип работы варикапа основан на использовании зависимости емкости электрического перехода от напряжения. Электрический переход варикапов имеет сложную структуру типа р-n-n+, р-i-n, МДП и др.

Рисунок 2.1 – Распределение концентрации примеси (а) и вольт-фарадные характеристики (б) для сплавных(1), диффузионных (2) и планарно-эпитаксиаль­ных (3) варикапов

Варикапы применяют в устройствах управления частотой колебательного контура, в параметрических схемах усиления, деления и умножения частоты, в схемах частотной модуляции, управляемых фазовращателях и др. В этих устройствах предпочтение отдается варикапам на основе барьерной емкости р-n-перехода. Чаще всего желательно, чтобы емкость варикапа менялась в значительных пределах. Для этого выполняются два условия – p-n переход варикапа делается толстым (что повышает максимально допустимое рабочее напряжение) и резким (что делает наибольшим влияние напряжения на емкость). Поэтому варикапы выполняются на основе резких невырожденных p-n переходов.

При подаче на варикапы прямого напряжения к барьерной емкости p-n перехода добавляется так называемая диффузионная емкость. Однако в этом случае малое сопротивление p-n перехода шунтирует обе емкости и это катастрофически снижает добротность варикапа. Поэтому прямое включение варикапа не используется.

Как правило, варикапы изготавливаются либо в виде дискретных изделий, либо сборки из четырех приборов.

Исходным материалом для варикапов является кремний, а в последнее время – арсенид галлия. В сплавных варикапах электрический переход резкий, распределение примесей вдоль перехода по координате х, отсчитываемой от его металлургической границы, приблизительно равномерное для р+ и n-области, в диффузионных – плавное (линии 1 и 2 на рис. 2.1, а). Этим распределениям соответствуют зависимости Св = f(U) – вольт-фарадные характеристики (ВФХ) варикапа (кривые 1 и 2 на рис. 2.1, б). Эти ВФХ аппроксимируются выражением

, (2.1)

где φ₀ – высота потенциального барьера p-n-перехода; т — коэффициент нелинейности ВФХ (т=0,5 для сплавных и т=0,3 для диффузионных); С_в0 – емкость ва-рикапа при внешнем напряжении U_обр= 0.

Для получения более резкой зависимости Св = f (U_обр) в эпитаксиальных варикапах используются переходы со структурой р⁺-n-n⁺ и обратным градиентом распределения примесей в базе (кривые 3 на рис. 2.1, а и б).

2.1.2 Параметры

Электрическими параметрами варикапа являются:

– С_н – номинальная емкость, т.е. емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении сме-щения;

– С_макс – максимальная емкость – емкость варикапа при задан-ном минимальном напряжении смещения;

– С_мин – минимальная ем-кость – емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения;

– К_с = C_макс/С_мин – коэффициент перекрытия по емкости;

– ТК C=dC/(C_нdT) – температурный коэффициент емкости – относи-тельное изменение емкости варикапа при изменении температуры окру-жающей среды на 1 К в рабочем интервале температур при заданном напряжении смещения;

– Q_в – номинальная добротность варикапа – отношение реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивле-нию потерь при номинальном напряжении смещения на заданной ча-стоте;

– ТК Q_в=dQ_в/(Q_вdT) –температурный коэффициент добротно-сти – относительное изменение Q_в при изменении температуры окру-жающей среды на 1 К в заданном интервале температур.

К параметрам эксплуатационных режимов относятся:

– P_в.макс – максимальная допустимая мощность – максимальное значение мощности, рассеивае-мой на варикапе, при которой обеспечивается заданная надежность при его длительной работе;

– U_{обр.макс} – максимально допустимое на-пряжение – максимальное мгновенное значение переменного напряже-ния на варикапе;

– R_Т – общее тепловое сопротивление.

В справочных данных указывают: f_макc – f_мин – частотный диапазон работы варикапа, определяемый граничными частотами, на которых добротность варикапа Q_в = 1. При этом граничные частоты варикапа

f_макс=1/(2πC_барr_s); f_мин=1/(2πС_барR_y), (2.2)

где r_s=r_Э+r_Б – сопротивление потерь в эмиттерной и базовой областях варикапа; R_у – сопротивление утечки перехода варикапа.

Параметры варикапов в сборке имеют очень близкие значения.

2.1.3 Эквивалентная схема

Малосигнальная эквивалентная схема варикапа приве-дена на рис. 2.2,а. В схеме L_в – элементы индуктивности выводов прибора (порядка нескольких микрогенри); кон-денсатор С_корп 1,5 пФ учитывает емкость корпуса; резис-тор r_s=r_Э+r_Б моделирует омическое сопротивление ба-зы r_Б с сопротивлением омического контакта и сопротив-ленце эмиттерной области r_Э с аналогичным контактом; резисторы r_диф, R_y учитывают дифференциальное сопро-тивление и сопротивление утечки перехода; конденсатор С_пер (С_бар) – эквивалент емкости перехода (барьерной ем-кости). На, частотах до нескольких десятков мегагерц параметрами схемы L_в и C_корп можно пренебречь ввиду их малости и ограничиться упрощенной схемой (на рисунке об-ведена штриховой линией). Сопротивление перехода при обратном напряжении на варикапе определяется сопротивлением утечки R_y. Типовое значение R_у > 1 МОм.

Рисунок 2.2 – Малосигнальная эквивалентная схема варикапа

Последовательное сопротивление r_s определяет добротность варикапа Q_в на высоких частотах. Добротность мож-но рассчитать из его упрощенной эквивалентной схемы при -условии что Ry r_s. На высоких частотах добротность

. (2.3)

Для повышения добротности необходимо уменьшать сопротивление базы, что достигается введением в структу-ру варикапа n⁺- области, снижать сопротивление омическо-го контакта путем увеличения концентрации примеси в n⁺- области базы и подбором металла омических кон-тактов.

На низких частотах, для которых ωC_барr_s 1 эквива-лентная схема варикапа представляет параллельное соеди-нение R_y и С_бар (рис. 2.2, б). Добротность варикапа при этом Q_в.н.ч. ωС_барR_у. С повышением частоты ω добротность возрастает. На высоких частотах ωC_барr_s 1и добротность варикапа Q_в.в.ч. = 1/(ωС_барr_s). С ростом частоты добротность падает. Эквивалентная схема варикапа для этого случая изображается последовательным соединением r_s и С_бар (рис. 2.2, в). Таким образом, зависимость добротности варикапа Q от частоты (рис. 2.3) имеет максимум в диапазоне 10 – 30 МГц.

На высоких частотах добротность варикапа по (2.3) об-ратно пропорциональна сопротивлению r_s. Для снижения r_s целесообразно уменьшать толщину n-области базы. Но чтобы обеспечить эффективное изменение С_бар от прило-женного обратного напряжении, концентрация примесей в тонкой n-области структуры варикапа должна быть по возможности минимальной. Нижний предел концентрации примесей в базе ограничен снижением напряжения про-боя, уменьшением диапазо-на изменения C_бар макси-мальным значением r_s. Структура p⁺-n-n⁺-типа позволяет осуще-ствить рациональный, выбор концентрации и распределе-ния примесей в базе с уче-том диапазона изменения емкости C_бар и значения со-противления r_s при высокой добротности варикапа. Составная n-n⁺-база обеспечивает глубокое проникновение электрического поля p⁺-n -перехода в базу, резкое изменение толщины перехода при обратном напряжении, высокое значение пробивного напряжения (из-за увеличения толщины перехода при возрастании U_обр) и добротности варикапа, так как наличие n⁺-области базы с высокой концентрацией примесей снижает сопротивление r_s.

Рисунок 2.3 – Зависимость добротности варикапа от частоты

Добротность варикапа уменьшается с повышением тем-пературы, так как при этом возрастает сопротивление r_s. С увеличением обратного смещения емкость С_бар и сопро-тивление r_s, уменьшаются, а добротность соответственно растет. Уменьшение r_s, в последнем случае объясняется расширением перехода и уменьшением толщины базы wв n-области структуры варикапа.

2.2 Цель работы

Научиться определять характеристики и параметры варикапов, а также параметры его эквивалентной схемы.

2.3 Задачи

Для достижения поставленной цели вам необходимо решить следующие задачи:

– ознакомиться со справочными данными используемого варикапа;

– провести измерения емкости и добротности варикапа при различных напряжениях и частотах;

– построить вольтфарадную характеристику варикапа и зависимость его добротности от частоты;

– рассчитать параметры варикапа и параметры его эквивалентной схемы.

2.4 Порядок работы и методы решения задач

2.4.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические параметры исследуемого варикапа, начертите его условное графическое обозначение /5/, эскиз внешнего вида. Расшифруйте маркировку.

2.4.2 С помощью установки, состав которой приведен на рисунке 2.1, проведите измерения емкости и добротности варикапа.

Измерение емкости и добротности варикапа производится с помощью промышленного прибора Q-метра Е9-4 методом включения в резонансный контур. Принципиальная схема измерения емкости этим методом показана на рисунке 2.2.

Перед подключением варикапа к клеммам Q-метра, проведите операции “установка нуля” и “калибровка”, согласно инструкции по эксплуатации прибора.

Выбрав необходимую частоту измерения и установив ее ручками “Частота”, подключите к клеммам Q-метра соответствующую этой частоте катушку индуктивности контура L_k (рисунок 2.2). Изменяя емкость контура C_k, настройте его в резонанс по максимуму показаний вольтметра, отградуированного в единицах Q. Произведите отсчет емкости С₁ и добротности Q₁ контура L_k, C_k.

К клеммам Q-метра подключите варикап, задайте ему необходимый режим по напряжению с помощью внешнего источника питания УИП-2 и, вновь меняя емкость контура C_k, добейтесь резонанса в цепи контура с варикапом. Произведите отсчет емкости контура С₂ и добротности цепи Q₂.

Не меняя частоты измерения, отсчет С₂ и Q₂ произведите при напряжениях на варикапе U_обр = 10; 20; 30; 40 и 50 В, добиваясь каждый раз резонанса в цепи контура с варикапом.

Указанные измерения емкости и добротности “чистого” контура и контура с варикапом произведите при частотах f = 0,2; 0,3; 0,6; 2; 5; 10; 20 МГц, меняя при этом частоту внутреннего генератора и катушки индуктивности L_k.

Все манипуляции по подключению и отключению катушек индуктивности и варикапа на Q-метре производите только при отсутствии напряжения на его клеммах от источника УИП-2!

При всех измерениях уровень напряжения внутреннего генератора поддерживайте таким, чтобы стрелка измерительного прибора “Уровень” была на соответствующей риске.

2.4.3 Произведите расчет емкости варикапа при различных измеренных значениях напряжений и частот как разность значений емкости C_k “чистого” контура с варикапом. Постройте вольт-фарадную характеристику варикапа для одной из частот.

Расчет добротности варикапа произведите по формуле

Рисунок 2.5 – Принципиальная электрическая схема для определения емкости и добротности варикапа

.

Постройте зависимость добротности варикапа от частоты /2, раздел 3.5; 3, раздел 3.31/ при одном из постоянных напряжений.

2.4.4 На основании данных, полученных при измерениях емкости и добротности варикапа, рассчитайте:

– коэффициент перекрытия по емкости К_с;

– параметры эквивалентной схемы варикапа – сопротивление p-n-перехода R_у и сопротивление базовой области r_s /2, раздел 3.5; 3, раздел 3.31/.

Изобразите эквивалентную схему варикапа, поясните природу входящих в нее элементов.

Отчет о работе должен содержать результаты изучения, измерений и вычислений по всем пунктам задания.

Для успешной защиты выполненной работы вы должны уметь пояснить ход вольт-фарадной характеристики варикапа, зависимость его добротности от частоты, уметь определять его параметры.

Литература

1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.

2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М. : Дрофа, 2009. – 703 с. : ил.

3 Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.