«Варикапы» по дисциплине

Принцип действия и области применения варикапа

Варикапом называется полупроводниковый нелинейный управляемый конденсатор, сконструированный таким об­разом, чтобы потери в диапазоне рабочих частот были минимальными.
Изменяя напряжение на варикапе, подключенном к коле­бательному контуру, можно обеспечить дистанционное и безынерционное управление резонансной частотой контура. Нелинейность емкости р-п перехода позволила создать новые типы радиотехнических устройств - параметрические уси­лители, схемы умножения и деления частоты и др.
Свойство емкости р-п перехода изменять свою величину при изменении внешнего напряжения связано с наличием объемного заряда в области потенциального барьера р-п перехода.
В том случае, если приложенное напряжение отпирает переход, главную роль играет емкость р-п перехода, обус­ловленная диффузией неосновных носителей в базу (диффу­зионная емкость  ). Величина этой емкости, как правило, значительно больше барьерной. Режим работы варикапов при прямом смещении р-п перехода характерен для приме­нения их в схемах умножения частоты. Наконец, сущест­вует возможность использования емкости, образованной зарядом под поверхностью полупроводника.
Таким образом, существует три вида нелинейной управ­ляемой полупроводниковой емкости: две из них связаны с наличием p-n перехода и одна требует создания структуры ...металл—диэлектрик — полупроводник.
Однако практическому применению диффузионной и поверхностно-барьерной емкостей препятствует их силь­ная зависимость от температуры и частоты, высокий уровень собственных шумов и низкая добротность. Например, поверхностно-барьерная емкость имеет величину ТКЕ

. Барьерная емкость р-п перехода лишена указанных недостатков и поэтому широко используется во многих радиотехнических устройствах. Основные области применения барьерной емкости р-п перехода следующие:
—усиление и генерация СВЧ сигналов (так называемые параметрические диоды);
—умножение частоты в широком диапазоне частот, включая СВЧ (умножительные Диоды, работающие иногда и в области диффузионной емкости);
—электронная перестройка частоты колебательных контуров в диапазонах KB, УКВ, ДЦВ (собственно вари­капы);
—в системах автоматики (варикапы с большими вели­чинами номинальной емкости, не менее 1000 пФ).
Рассмотрим принцип действия варикапов. Величина объемного заряда Q0 зависит от приложенной к переходу разности потенциалов U. Это свидетельствует о том, что переход имеет некоторую емкость.

Во всех перечисленных работах рассматривается одномерная модель р-п перехода, и зависимость С = f(U) в общем виде получается путем решения уравнения Пуассона

где ρ плотность объемного заряда, которую можно запи­сать следующим образом:

После ряда упрощений и решения уравнение Пуассона получается выражение для барьерной емкости р-п перехода

Где S-площадь р-п перехода, d-ширина области объемного заряда (ширина р-п перехода).
Таким образом, емкость р-п перехода равна емкости плоского конденсатора с площадью пластин, равной площади р-п перехода, и с расстоянием между пластинами равной ширине области объемного заряда.
Для сплавных р-п переходов (т. е при ступенчатом изменении примесей)
(1)
(2)

Для диффузионных переходов (т. е в случае линейного распределения концентрации примесей) с градиентом примесей а:
(3)

Для большинства реальных р-п переходов справедливо соотношение

Где А - постоянный для этого случая коэффициент, а n лежит в пределах
Концентрации примесей в частях полупроводника, содер­жащего р-п переход, как правило, резко отличаются: Если исходный материал имеет электронную проводимость, то концентрация акцепторов в области р на несколько поряд­ков больше концентраций доноров в n-области. В этом слу­чае можно считать, что объемный заряд проникает лишь в n-область.