варикап. ВАРИКАП. Изучение свойств варикапа

Название	Изучение свойств варикапа
Анкор	варикап
Дата	24.02.2023
Размер	0.56 Mb.
Формат файла
Имя файла	ВАРИКАП.docx
Тип	Курсовой проект #952721
страница	2 из 3

1 2 3

6. Вольтамперные характеристики p-n перехода

Для диодов очень важной характеристикой является зависимость тока, протекающего через диод, от величины постоянного напряжения, приложенного к клеммам диода. Эта характеристика называется статической (ВАХ) полупроводникового диода. На рисунке 10 изображены вольтамперные характеристики для p-n-переходов из германия и кремния. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением

(5)
где

— обратный ток насыщения (ток экстракции, обусловленный неосновными носителями заряда; значение его очень мало); U — напряжение на p-n-переходе;

— температурный потенциал (k — постоянная Больцмана, Т – температура, е — заряд электрона); m — поправочный коэффициент: m = 1 для германиевых р-n-переходов и m = 2 для кремниевых p-n-переходов при малом токе).

Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми диодами, вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. Обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов при данном масштабе практически сливается с осью абсцисс. Прямая ветвь ВАХ у кремниевых диодов расположена значительно правее, чем у германиевых диодов.

Из рисунка 10 для теоретически рассчитанной прямой ветви ВАХ видно, что рост тока начинается уже при малых значениях напряжения.

Рисунок 10 – Вольтамперные характеристики для германиевого (Ge), кремниевого (Si) и теоретические рассчитанная характеристика p-n перехода.
Реально же, для каждого типа диода существует свое напряжение отпирания Uотпр p-n перехода большее для кремниевых, чем для германиевых диодов. При напряжениях меньших Uотпр вплоть до нуля, кривая I(U) сливается с осью абсцисс, образуя так называемую «пятку» ВАХ.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 – 100 °С для германиевых диодов и 150 – 200 °С для кремниевых.

Минимально допустимая температура диода лежит в пределах – (60 – 70)°С.

Часто при расчетах пользуются сопротивлением диода постоянному току, которое называют статическим для прямого и обратного включения.

где U – постоянное напряжение, приложенное к диоду, I – сила тока, протекающего через диод при этом напряжении. Часто под U и I принимают номинальные значения напряжения и силы тока.

Кроме того используются сопротивлением диода, которое называют дифференциальным и равно отношению приращения напряжения к малому приращению тока:

или

При использовании прямой и обратной ветвей ВАХ удобно определять дифференциальное сопротивление, как тангенс угла наклона касательной к графику в интересующей нас точке.

7. Физическая природа емкости полупроводникового диода (варикапа)
Если ток через полупроводниковый диод (или приложенное к нему напряжение от внешнего источника) быстро изменяются, то новое распределение зарядов устанавливается не сразу. Внешнее напряжение меняет ширину перехода, а значит, и величину пространственных зарядов в переходе. Кроме того, при инжекции (или экстракции) меняются заряды в области базы. Таким образом, р-п переход в полупроводниковом диоде обладает свойством емкости – может накапливать и изменять электрические заряды.

Следовательно, наряду с проводимостью, диод обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно р-п переходу. Эту емкость принято разделять на две составляющие: барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость, отражающую перераспределение зарядов в базе. Такое разделение емкостей условно, но удобно на практике.

Барьерная емкость полупроводникового диода. Барьерная (зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом ионов примесей, сосредоточенными по обе стороны от границы р-n-перехода. Эта емкость связана с образованием потенциального барьера между р и п областями и поэтому называется барьерной емкостью.

Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад. Изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.

Величина барьерной емкости может определяется из формулы:

, (6)
где

– барьерная емкость;

– диэлектрическая проницаемость полупроводника;

– диэлектрическая проницаемость вакуума,

8,85∙10-12 Ф/м;

– площадь р-п-перехода;

– толщина р-п перехода.

Несмотря на сходство формул, между барьерной емкостью и емкостью обычного конденсатора имеется принципиальное различие. В обычном конденсаторе расстояние между его пластинами, а, следовательно, и его емкость не зависят от напряжения, приложенного к конденсатору. Толщина же р-п перехода зависит от приложенного к нему напряжения. Следовательно, барьерная емкость зависит от напряжения: при возрастании запирающего напряжения толщина р-п перехода увеличивается, а его барьерная емкость уменьшается. Зависимость Cб(U) является нелинейной. Обратный ток запертого полупроводникового диода мал, т. е. мала проводимость, которая шунтирует барьерную емкость.

Диффузионная емкость полупроводникового диода. Если полупроводниковый диод отперт, то, кроме барьерной емкости, появляется диффузионная емкость. Название следует из того, что протекание прямого тока и возникновение дополнительной емкости обусловлено диффузией электронов и дырок. Рассмотрим механизм возникновения диффузионной емкости. При протекании прямого тока электроны входят в p-область, а дырки - в п-область. Приток дырок в п-область создает там положительный заряд. Одновременно в п-область из внешней цепи от источника напряжения входят электроны. Заряды электронов компенсируют заряды дырок. Таким образом, в п-области появляются положительный заряд дырок и равный ему по абсолютной величине отрицательный заряд электронов. При изменении прямого напряжения и прямого тока оба эти заряда изменяются, оставаясь равными один другому. Если р-п переход заперт, то оба эти заряда равны нулю. Аналогичные процессы происходят и в р-области.

Таким образом, при протекании прямого тока появляется диффузионная емкость, обусловленная накоплением зарядов в р- и п- областях. Внешнее напряжение может изменять этих заряды. Диффузионная емкость нелинейная; она резко возрастает при увеличении прямого напряжения.

Диффузионная емкость шунтирована малым прямым сопротивлением отпертого р-п перехода, поэтому ее добротность мала. Диффузионная емкость почти не применяется в схемах из-за ее низкой добротности, сильной зависимости от температуры, высокого уровня шумов.
8. Зависимость барьерной емкости от постоянного напряжения
В настоящее время большинство варикапов изготовляется методом вплавления примесей в полупроводник. Для варикапов, изготовленных вплавлением, зависимость барьерной емкости от напряжения определяется по формуле

(7)
где:

– барьерная емкость, соответствующая напряжению

;

– коэффициент, зависящий от параметров полупроводника;

– площадь р-п перехода;

– обратное (запирающее) напряжение, приложенное к варикапу;

– высота потенциального барьера между р- и п-областями перехода при отсутствии внешнего напряжения.

Для приближенных расчетов можно принять, что при комнатной температуре для германиевых р-п-переходов

, а для кремниевых р-п-переходов

.

Если известно значение барьерной емкости при некотором напряжении U1 то, используя формулу (7), можно найти значение барьерной емкости при напряжении U2 по формуле:

(8)

9. Рабочий интервал напряжений варикапов. Коэффициент перекрытия. Коэффициент нелинейности
Рабочий интервал напряжений варикапов ограничен обратными напряжениями Umin и Umax. Umax – это максимальное напряжение на варикапе. Оно должно быть меньше пробивного напряжения и равно максимально допустимому, А максимально допустимое напряжение указывается в паспорте для каждого типа варикапов. Umin - напряжение (близкое к нулю), при котором открывается диод, емкость которого шунтируется малым сопротивлением.

Величину изменения емкости варикапов в рабочем интервале напряжений удобно характеризовать коэффициентом перекрытия. Он равен отношению максимального значения барьерной емкости к ее минимальному значению:
K = Cmax/Cmin , (9)
где Cmax и Cmin – соответственно максимальное и минимальное значения барьерной емкости. Если принять в формуле (3) U2=Umin и U1=Umax и считать, что Umin << Uк получаем формулу для коэффициента перекрытия:
K =(1+Umax/ Uк)0,5 (10)
Во многих случаях важно знать относительное изменение емкости варикапа при изменении напряжения. Этот параметр называется коэффициентом нелинейности Kн:

Kн=ΔСб/Сб∙ΔU, (11)
где ΔU

– малое изменение напряжения на варикапе;

ΔСб/Сб – относительное изменение барьерной емкости, соответствующее изменению напряжения на ΔU.

Используя формулы (7) и (11), получаем:

(12)
Из формулы (12) видно, что при возрастании обратного напряжения коэффициент нелинейности уменьшается.

Поскольку барьерная емкость нелинейна, то ее величина измеряется при малых переменных напряжениях.
10. Метод измерения емкости варикапов
Емкость варикапа можно измерять с помощью схемы, показанной на рисунке 11.

Рисунок 11 – Схема замещения для измерения ёмкости варикапа
На делитель напряжения, представляющий собою последовательно включенные резистор R и комплексное сопротивления диода

, от генератора G подается переменное напряжение

. Сопротивление источника постоянного напряжения Е2 мало для переменного тока и не учитывается. Тогда схема замещения будет иметь вид как на рисунке 11.

Зная величину входного напряжения на делителе

. и напряжение на резисторе

, можно определить величину емкости стабилитрона. Напряжения в цепи отличаются по фазе и поэтому они записываются в комплексном виде, как и ток. Для входной цепи закон Ома имеет вид: