варикап. ВАРИКАП. Изучение свойств варикапа
 Скачать 0.56 Mb.
|
|
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по дисциплине «Электроника и электротехника» на тему «Изучение свойств варикапа.» Содержание 1. Полупроводниковый диод 2. р-n-переход полупроводникового диода 3. Характеристики р-n-перехода полупроводникового диода 4. p-n-переход без внешнего источника напряжения 5. p-n-переход при внешнем напряжении 6. Вольтамперные характеристики p-n перехода 7. Физическая природа емкости полупроводникового диода (варикапа) 8. Зависимость барьерной емкости от постоянного напряжения 9. Рабочий интервал напряжений варикапов. Коэффициент перекрытия. Коэффициент нелинейности 10. Метод измерения емкости варикапов 11. Рабочий диапазон частот варикапа. Добротность 12. Область применения 13. Расчёт схемы автогенератора с применением варикапа. Литература Введение Варикап – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, который может быть использован как конденсатор с электрически управляемой емкостью. Варикапы представляют собою полупроводниковые диоды, у которых используется нелинейная зависимость барьерной емкости запертого p-n-перехода от величины приложенного к диоду обратного напряжения. Варикапы могут работать на высоких и сверхвысоких частотах, долговечны и надежны, стабильны во времени, потребляют мало энергии, имеют достаточно высокую добротность, слабую зависимость емкости от температуры, схемы с варикапами просты. Варикапы применяются для параметрического усиления слабых сигналов, для электронной настройки колебательных контуров и фильтров, для частотной модуляции сигналов в автогенераторах, в схемах автоматического поиска радиоприемником передающей станции, в счетных устройствах и во многих других схемах. Для уменьшения потерь энергии и для увеличения КПД диодов используют полупроводники с малыми удельными сопротивлениями: германий, кремний и арсенида галлия. К варикапам относятся диоды типа: КВ102А, КВ102Д, 2В110А, КВ110Е, Д901, Д902 и другие. 1. Полупроводниковый диод полупроводниковый диод варикап напряжение Варикап является частным случаем полупроводникового диода. Поэтому рассмотрим сначала устройство, структуру и краткую теорию полупроводникового диода. Полупроводниковый диод – это схемный элемент с одним р-n переходом, имеющий два омических вывода. Основой полупроводникового диода является электронно-дырочный переход или р-п переход, создаваемый в объеме полупроводника. Он представляет собою тонкий переходный слой между двумя областями с дырочной (р) и электронной (п) проводимостями одного и того же монокристалла полупроводника. Толщина р-п перехода составляет обычно несколько микрон или нескольких десятых долей микрона и зависит от параметров полупроводника и от способа создания перехода. Один из наиболее распространенных способов изготовления полупроводниковых диодов следующий. На поверхности пластины кристалла кремния (Si) (рисунок 1 а) с электронной проводимостью (n-типа) площадью 2-4 мм2 и толщиною в несколько десятых долей миллиметра расплавляют маленький кусочек индия (In). Индий играет роль донора: его атомы диффундируют на небольшую глубину в кристалл пластины и образуют тонкую область с дырочной проводимостью (р-типа). Между двумя областями полупроводника с различными типами проводимостей возникает p-n-переход. Одна из областей р-n структуры с проводимостью p типа, называется эмиттером. Эмиттер имеет бóльшую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой. На базу - пластину кристалла с проводимостью п-типа напыляют металлический слой, к которому припаивается вывод. Второй вывод аналогично припаивается к эмиттеру. После этого диод помещается в корпус. Диоды, полученные подобным образом называют сплавными или плоскостными. а)  б)  в)  Рисунок 1 – Структура полупроводникового диода, полученного методом сплавления (а), схемное обозначение полупроводникового диода (б) и схемное обозначение варикапа (в). Схемное обозначение полупроводникового диода показано на рисунке 1 б. В основе символа положена стрелка, указывающая направление прямого тока через диод. В символе варикапа (рисунке 1 в) помимо символа диода, просматриваются две параллельные пластины - символ конденсатора, напоминающий о емкости диода. 2. р-n-переход полупроводникового диода Емкостные свойства плоскостного диода обусловлены наличием внутреннего электрического поля в р-п переходе. Рассмотрим причины образования этого поля. На рисунке 2 показано пространственное распределение дырок - •, электронов – O, ионов акцепторов -  и ионов доноров - в двух изолированных кристаллах полупроводника разного типа проводимости (p- и n-типа) вдоль кристаллов по координате х. Рисунок 2 – Внизу – два примесных кристалла (слева) p- и (справа) n-типа. Вверху: распределение концентраций зарядов по координате х этих изолированных кристаллов. Здесь: Na- концентрация ионов акцепторов; Nд-концентрация ионов доноров; рр- концентрация дырок в кристалле p-типа; nр- концентрация электронов в кристалле p-типа; рn- концентрация дырок в кристалле n-типа; nn- концентрация электронов в кристалле n-типа. До соприкосновения кристаллов дырки • и отрицательные ионы примеси (акцепторы) в p-области распределены равномерно. Кроме того, в p-области имеется небольшое количество равномерно распределенных свободных электронов. Концентрации акцепторов Na и дырок pp в p-области практически одинаковы и много больше концентрации электронов np. Аналогично в кристалле n типа электроны O и положительно заряженные ионы примеси (доноры) распределены равномерно, как и небольшое количество дырок. Концентрации доноров Nд и электронов nn практически одинаковы и много больше концентрации дырок pn.Рассмотрим процессы, протекающие при контакте двух полупроводников с различными типами проводимости (рисунок 3).  Рисунок 3 – Распределение концентраций заряда в идеализированном p-n-переходе. Здесь: Na – концентрация ионов акцепторов; Nд-концентрация ионов доноров; рр- концентрация дырок в p-области кристалла; nр- концентрация электронов в p-области кристалла; рn- концентрация дырок в n-области кристалла; потенциалов; Е - напряженность электрического поля; lp-n - ширина p-n-перехода. На границе p- и n- областей кристалла образуется градиент концентраций свободных носителей заряда: концентрация электронов и концентрация дырок по разные стороны от границы раздела значительно отличаются. В результате этого возникает диффузия свободных зарядов: электроны из n-области переходят в p-область и рекомбинируют с дырками, а дырки из р-области переходят в n-область и рекомбинируют с электронами. Ток, обусловленный наличием градиентов концентрации дырок др/дх и свободных электронов дп/дх называется диффузионным током. Он направлен в сторону меньшей концентрации. Дырки из p-области диффузионно перемещаются в n-область, а электроны диффундируют из n-области в p-область. Движение электронов соответствует противоположному направлению тока. Поэтому дырочный ток диффузии и электронный ток диффузии совпадают по направлению. В результате диффузии в области p-n-перехода концентрация свободных электронов и дырок убывает почти до нуля. Электрическая нейтральность полупроводника нарушается. С одной стороны, электроны и дырки переходя через границу раздела, оставляют после себя неподвижные ионы доноров и акцепторов, а с другой стороны, увеличивается концентрация электронов в р-области и концентрация дырок n-области. В р-области вблизи ее контакта с n-областью образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n-области - положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Области пространственных зарядов на рисунке 3 заштрихованы. Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов φк и электрическое поле с напряженностью Е . Это поле огромной напряженности (Е ≈ 106 В/м) препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- и n-областей через р-n-переход и она практически прекращается. 3. Характеристики р-n-перехода полупроводникового диода На рисунке 4 показано распределение концентраций электронов и дырок в р-n-переходе. Если атомы доноров и акцепторов полностью ионизированы, то концентрация дырок в р-области равна концентрации акцепторов, а концентрация электронов в n-области равна концентрации доноров. Так как электроны и дырки являются свободными подвижными зарядами, то их концентрации в области р-n-перехода от pp до pn (или от nn до np ) изменяются плавно.  Рисунок 4 – Распределение концентраций электронов и дырок в р-n-переходе. На рисунке 5 представлены распределения отрицательных и положительных зарядов в p-n-переходе. Атомы примесей прочно сидят на своих местах и не движутся под действием поля. В результате этого в р-п переходе образуется двойной слой зарядов: отрицательный заряд акцепторов в области р и равный ему по абсолютной величине положительный заряд доноров в области п. Так как акцепторы и доноры жестко связанны с кристаллической решеткой полупроводника, то в области раздела р- и n-областей концентрации акцепторов и доноров изменяются скачком (рисунок 5). Изменение электрического заряда с отрицательного на положительный заряд в этой области полупроводника также происходит скачком. Переход в целом нейтрален, т. е. отрицательный заряд в левой его части и положительный заряд в правой его части одинаковы.  Рисунок 5 – Распределение объемных электрических зарядов вдоль р-n-перехода Заряды экранируют толщу р и п областей кристалла от электрического поля. Поэтому вне р-п перехода, т. е. в толще р и п областей, электрического поля нет: в области п положительные заряды доноров скомпенсированы зарядами свободных электронов, в области р отрицательные заряды акцепторов скомпенсированы зарядами дырок (рисунок 5). Область образовавшихся пространственных зарядов и есть область p-n-перехода. Часто эту область называют обедненным или истощенным слоем из-за сильно пониженной концентрации подвижных носителей заряда. Переход от области отрицательного объемного заряда к области положительного объемного заряда сопровождается изменением потенциала. Если за нулевой потенциал выбрать линию контакта двух полупроводниковых кристаллов различной проводимости, то потенциал кристалла с проводимостью типа p будет отрицательным, а потенциал кристалла с проводимостью типа n - положительным (рисунок 5). С увеличением x, по мере перемещения из p-области в область отрицательного объемного заряда, отрицательный потенциал убывает до нуля. Причем максимальная скорость изменения потенциала соответствует границе раздела положительного и отрицательного объемных зарядов. При дальнейшем увеличением x в области положительного объемного заряда величина положительного потенциала увеличивается, а его скорость возрастания замедляется.  Рисунок 6 – Изменение потенциала в области объемного заряда и за ее пределами За пределами положительного и отрицательного объемных зарядов в любом сечении p-области или n-области потенциал φ будет постоянным, максимальным по величине. Разность потенциалов, возникающую в р-n-переходе называют контактной разностью потенциалов φк или высотой потенциального барьера и обозначают  или UK. Контактная разность потенциалов обусловлена градиентом концентрации носителей заряда. Физический смысл контактной разности потенциалов - это энергия, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер: (1)где k = 1,38∙1023Дж/К – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – абсолютная температура; рр и рn – концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; nр и nn – концентрации электронов в р- и n-областях соответственно,   – температурный потенциал. При температуре Т = 270 С  0.025 В, для германиевого перехода  0,6 В, для кремниевого перехода 0,8 В.Контактная разность потенциалов UK (или потенциальный барьер) p-n-перехода приводит к образованию электрического поля. Оно неоднородное. Изменение величины напряженности электрического поля Е вдоль длины кристалла представлено на рисунке 7.  Рисунок 7 – Зависимость напряженности электрического поля Е в области р-n-перехода от координаты x Напряженность электрического поля Е максимальна на границе р- и n-областей, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. В этом сечении полупроводника крутизна кривой φ(x) максимальна. Напряженность электрического поля представляет собою градиент потенциала, т. е. характеризуется скоростью изменения потенциала с изменением координаты. Поэтому максимальной крутизне кривой φ(x), точке ее перегиба, будет соответствовать максимальное значение напряженности электрического поля Е. При удалении от р- и n-областей напряженность поля убывает. Там, где объемный заряд равен нулю, электрическое поле отсутствует. Другими словами, заряды экранируют толщу р и п областей от электрического поля. Вне р-п перехода, т. е. в толще областей р и п, электрического поля нет: в области п положительные заряды доноров скомпенсированы зарядами свободных электронов, в области р отрицательные заряды акцепторов скомпенсированы зарядами дырок. 4. p-n-переход без внешнего источника напряжения Когда к р-n-переходу не приложено напряжение от внешнего источника внутреннее электрическое поле препятствует развитию диффузионных процессов, в результате которого оно возникло. Движение носителей заряда под действием поля из областей, где они были неосновными, в области, где они становятся основными, образует дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току. Таким образом, в равновесном состоянии (без внешнего напряжения) через р-n-переход движутся два встречных потока зарядов - протекают два тока. Это: дрейфовый ток неосновных носителей заряда Iдр; диффузионный ток, который связан с основными носителями заряда Iдиф. Так как внешнее напряжение отсутствует, и тока во внешней цепи нет, то дрейфовый ток и диффузионный ток взаимно уравновешиваются и результирующий ток равен нулю Iдр - Iдиф = 0 или в алгебраической форме Iдр + Iдиф = 0 (2) Это соотношение называют условие динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n-переходе. 5. p-n-переход при внешнем напряжении Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n-переходе и p-n-переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения, приложенного к p- и n- областям кристалла, возможно два режима работы диода: прямое смещение и обратное смещение p-n-перехода. Обратное смещение p-n-перехода. Если к р-области p-n-перехода приложен минус, а к n-области плюс внешнего источника напряжения (рисунок 8а), то говорят, что p-n-переход обратно смещен. Напряжение внешнего источника U увеличивает высоту потенциального барьера до величины φк + U (рисунок 8б). Напряженность электрического поля возрастает; ширина p-n-перехода увеличивается (рисунки 8 а, б, в), т.к.  . Процесс диффузии полностью прекращается и через p-n-переход протекает только дрейфовый ток, ток неосновных носителей зарядов (рисунок 8 а). Такой ток p-n-перехода называют обратным, а поскольку он связан с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет термогенерации, то его называют тепловым током и обозначают - I0 , т.е.Iр-n=Iобр=Iдиф+Iдр ≈Iдр= I0 (3) Этот ток мал по величине, т.к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. При обратном смещении концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода несколько снижается по сравнению с равновесной. Это приводит к диффузии неосновных носителей заряда из глубины p- и n-областей к границе p-n-перехода. Достигнув ее, неосновные носители попадают в сильное электрическое поле и переносятся через p-n переход, где становятся основными носителями заряда. Диффузия неосновных носителей заряда к границе p-n-перехода и дрейф через него в область, где они становятся основными носителями заряда, называется экстракцией. Экстракция и создает обратный ток p-n-перехода – это ток неосновных носителей заряда.  Рисунок 8 – Схема подключения обратного напряжения к р-n- переходу и изменение его характеристик.  Рисунок 9 – Схема подключения прямого напряжения к р-n- переходу и изменение его характеристик. На рисунках представлены: кристаллы с двойным слоем объемных зарядов в р-n переходе и схемы подключения источника напряжения к p-n-переходу в обратном направлении (рисунок 8 а) и в прямом направлении (рисунок 9 а); изменение потенциала φ вдоль кристалла в области р-n перехода и высота потенциального барьера между p и n областями (или контактная разность потенциалов), равная φк + U на рисунке 8б и φк - U на рисунке 9б (U – напряжение внешнего источника); распределение объемного заряда Q вдоль p-n-перехода на рисунках 8в и 9в; lp-n — толщина р-n перехода. Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода. Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового тока перехода на основе германия   (на 3-4 порядка). Это связано с контактной разностью потенциала φк материала.Прямое смещение p-n-перехода. p-n-переход считается смещённым в прямом направлении, если положительный полюс источника питания подсоединен к р-области, а отрицательный к n-области (рисунок 9 а). При прямом смещении, контактная разность потенциалов φк и напряжения источника U направлены встречно. Поэтому результирующее напряжение на p-n-переходе убывает до величины φк - U . Это приводит к тому, что: 1) напряженность электрического поля убывает на p-n-переходе и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. 2) ширина p-n перехода уменьшается, т.к. lp-n≈( φк - U )1/2. Ток диффузии, ток основных носителей заряда, становится много больше дрейфового тока. Через p-n-переход протекает прямой ток равный Iр-n=Iпр=Iдиф+Iдр ≈ Iдиф (4) При протекании прямого тока основные носители заряда р-области переходят в n-область, где становятся неосновными. Диффузионный процесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток – диффузионным током или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда накапливающихся в p и n-областях во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т.е. принцип электронейтральности сохраняется. При увеличении напряжения источника U ток резко возрастает по экспоненциальному закону Iпр =I0exp(U/φT) (φT – температурный потенциал), и может достигать больших величин, так как связан с основными носителями, концентрация которых велика. Итак, главное свойство p-n-перехода – это его односторонняя проводимость. Он пропускает ток только в одном направлении. |