Области применения варикапа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный открытый университет имени В.С. Черномырдина

Губкинский институт (филиал)

Кафедра техники и технологии горного производства

Реферат

Варикап

Выполнил:

Дайментов Д.И.

Специальность 140211

Группа ГЭ-10

Курс 4

Шифр: 810115

Проверил:

Ст. преподаватель

Аникин А.И.

Губкин

2013



Содержание

Введение

1. Принцип действия и области применения варикапа

2. Малосигнальная эквивалентная схема варикапа

3. Особенности конструирования варикапов

4. Параметры варикапов и методы их измерения

5. Функциональные зависимости параметров варикапов

Заключение

Список используемой литературы



Введение

варикап электронный контур фоток

Развитие полупроводниковой электроники идет как по пути улучшения параметров полупроводниковых приборов, так и по пути использования их в новых режимах. Полупроводниковые диоды применяют в большом количестве областей.

Полупроводниковый диод стали широко использовать и как управляемую емкость (варикап). Как известно, в качестве управляемой емкости можно использовать реактивные лампы. Однако варикапы могут работать на более высоких частотах, чем реактивные лампы, варикапы долговечнее и надежнее реактивных ламп, потребляют меньше энергии схемы с варикапами проще. Варикапы успешно соперничают с варикондами, так как они имеют ряд серьезных недостатков: сравнительно низкую добротность, сильную зависимость емкости от температуры, нестабильность во времени.

Варикапы применяются для параметрического усиления слабых сигналов, для электронной настройки контуров и фильтров, в счетных устройствах и во многих других схемах. Также существуют фотоварикапы, которые используются для параметрического усиления слабых фототоков.

Об основных параметрах, принципе действия и области применения варикапов я и хочу рассказать в своем реферате.



1. 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 рп 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 с 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.

2. Малосигнальная эквивалентная схема варикапа

Знание емкости р-п перехода не может дать полного представления о работе диода в качестве управляемой емкости. Поведение варикапа будет определяться параметрами эквивалентной схемы, а поэтому необходимо знать значения параметров, которые они могут принимать в различных условиях.



Полная эквивалентная схема варикапа, изображенная на рис. 1, а, применима от низких до сверхвысоких частот [2, 11, 12, 13]. Собственно р-п переход заменен RC-цепочкой, характеризующей работу варикапа на низких частотах. На высоких частотах решающее значение приобретает сопротивление , включенное последовательно с RC-цепочкой; представляет собой емкость корпуса. Для известных типов варикапов величина емкости не превышает 1--1,5 пФ. Индуктивность выводов Ls составляет величину в несколько миллимикрогенри, и, как уже указывалось, в диапазоне рабочих частот ее можно не учитывать. Пренебрегая малыми величинами и , можно изобразить эквивалентную схему варикапа, как показано на рис. 1, б.

Последовательное сопротивление практически определяет добротность варикапа в диапазоне рабочих частот и характеризует температурные свойства добротности.

Оно представляет собой омическое сопротивление варикапа и состоит из распределенного сопротивления базы и сопротивления омического контакта. Сопротивление базы зависит от удельного сопротивления исходного материала ' (кремния) и геометрических размеров базы:

(5)

где w -- толщина базы.



Формула (5) справедлива в тех случаях, когда р-п переход расположен по всей пластине кремния или диаметр перехода превышает расстояние между переходом и омическим контактом. Из формулы (5) видно, что для уменьшения сопротивления базы необходимо уменьшать удельное сопротивление материала и толщину базы. Сопротивление омического контакта также становится меньше при снижении величины удельного сопротивления материала и полупроводника (рис.2). Однако минимально допустимую величину удельного сопротивления материала необходимо выбирать с учетом требований, предъявляемых к величине рабочего напряжения и к пределам изменения емкости.

Сопротивление p-n перехода. Дифференциальное сопротивление, шунтирующее емкость p-n перехода, определяется физическими процессами в переходе, его вольтамперной характеристикой. Практически величина дифференциального сопротивления определяется величиной токов утечки, возникающих вследствие загрязнения поверхности p-n перехода. Поэтому величина дифференциального сопротивления оказывается ниже расчетной, однако не ниже мегома.

Полная реактивная проводимость варикапа складывается из емкости перехода , емкости корпуса , индуктивности выводов Ls. Поскольку <<, то полное сопротивление .

Индуктивность выводов

Где а - длина, D-диаметр вывода.

Полная реактивная проводимость будет иметь емкостной характер до частоты

Частота fпр является предельно допустимой при эксплуатации варикапа и в реальных случаях близка к 1000МГц.

Добротность варикапа. Зная эквивалентную схему варикапа, можно рассчитать важнейший его параметр - добротность.

Добротность конденсатора, как известно, определяется отношением реактивного сопротивления к активному.

Полное сопротивление схемы (рис. 1, б) равно

Преобразовав, получим

(6).

Откуда видно



(7).

Учитывая, что в формуле (6) получаем выражение для добротности

(8)

На низких частотах, когда соблюдается неравенство , эквивалентная схема представляет собой параллельное соединение R и C (рис. 1, в). Величина добротности при этом определяется соотношением

С повышением частоты выполняется неравенство

Эквивалентная схема принимает вид, показанный на рис1, г. В этом случае добротность зависит от величины последовательного сопротивления rs и равна

(9)

По заданным величинам добротности, емкости и наивысшей рабочей частоты можно определить максимально допустимую величину сопротивления .

На высоких частотах нельзя повысить добротность Q увеличением площади перехода S, так как емкость перехода пропорциональна S, а сопротивление обратно пропорционально площади перехода. Подставив в формулу (9) значения С и (считая что =) получим



(10)

3. Особенности конструирования варикапов

Из формулы (10) видно, что для увеличения добротности не обходимо уменьшить толщину базы w и удельное сопротивление. Однако уменьшение величины р ограничивает пределы изменения емкости, так как снижается величина напряжения пробоя. Основная задача конструирования варикапа состоит в том, чтобы разрешить именно это противоречие, т. е. получить высокую добротность (малую величину последовательного сопротивления ) при достаточно большом коэффициенте перекрытия по емкости (при высоком пробивном напряжении и, следовательно, при достаточно высоком удельном сопротивлении с). Решение задачи заключается в выборе минимальной величины удельного сопротивления исходного материала, которая может обеспечить необходимое пробивное напряжение. Отсутствие у варикапа запаса по удельному сопротивлению материала требует более тщательной разработки и более точного соблюдения технологии создания, обработки и защиты р-п перехода по сравнению с обычными диодами.



С другой стороны, для повышения добротности толщину базы выбирают минимально возможной (примерно 10 мкм). Поскольку работа с пластинами полупроводникового материала толщиной 10 мкм невозможна, используют структуры типа n-n+ (рис. 3). При этом пробивное напряжение будущего р-п перехода и величина сопротивления базы определяются слоем n-типа, так как при расчете сопротивления базы сопротивлением слоя n+ можно пренебречь ввиду его крайне низкого удельного сопротивления. Эти структуры получают либо специальной диффузией в исходный кремний n-типа (имеющий достаточно высокое удельное сопротивление) с последующей шлифовкой слоя n-типа до необходимой толщины, либо с помощью эпитаксиальной технологии. В обоих случаях получение слоя n-типа заданной толщины и проводимости представляет значительные технологические трудности.

В показанном на рис.4 сплавном варикапе типа Д901 в кристалл кремния / с одной его стороны вплавлен в вакууме алюминиевый столбик 2 для получения р-п перехода, а с другой стороны -- сплав золото--сурьма (0,1% Sb) для получения омического контакта 3. Эта структура вплавляется в вакууме в коваровый золоченый кристаллодержатель 4.К алюминиевому столбику прикреплен внутренний вывод 5. Соединение кристаллодержателя с баллоном 6 и выводом 7 осуществляется сплавлением в водороде.

В настоящее время при изготовлении варикапов сначала изготавливают структуру типа p+-n-n+(рис.3, б) и омические контакты к структуре на пластине кремния диаметром 25--35 мм, и только в дальнейшем производится нарезка кристаллов нужной площади (в зависимости от номинальной емкости), вплавление золоченых выводов, химическая обработка, защита поверхности перехода и бескорпусная герметизация. Конструкция варикапа, изготовленного по описанной технологии, изображена на рис. 5.

4. Параметры варикапов и методы их измерения

Параметры варикапа, характеризующие его как полупроводниковую нелинейную емкость, следующие:

-- номинальная емкость -- емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения.

-- максимальная емкость -- емкость варикапа при заданном минимальном напряжении смещения.

-- минимальная емкость -- емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения.

-- номинальная добротность варикапа -- отношение реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь при номинальном напряжении смещения на заданной частоте.

-- максимально допустимое напряжение -- максимальное мгновенное значение переменного напряжения, при котором сохраняется заданная надежность при длительной работе.

ТКЕ -- температурный коэффициент емкости -- относительное изменение емкости варикапа при заданном напряжении смещения при изменении температуры окружающей среды на 1° С в заданном интервале температур.

n-- степень зависимости емкости от приложенного напряжения.

ТКД -- температурный коэффициент добротности -- относительное изменение добротности варикапа при заданном напряжении смещения при изменении температуры окружающей среды на 1° С в заданном интервале температур.

-- коэффициент перекрытия-- отношение максимальной емкости диода к минимальной.

-- максимально допустимая мощность -- максимальное значение мощности, рассеиваемой на варикапе, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе.

RT-- общее тепловое сопротивление -- отношение разности между температурой перехода и температурой окружающей среды к мощности, рассеиваемой на варикапе в установившемся режиме.

Классификация варикапов производится, как правило, по следующим параметрам: величине номинальной емкости, величине добротности, максимально допустимому напряжению.

Рассмотрим методы измерения основных параметров варикапов -- емкости и добротности. При измерении этих параметров основная трудность состоит в том, что требуются очень малые величины переменного сигнала из-за нелинейности вольтфарадной характеристики р-п перехода.

В настоящее время лучшим методом измерения емкости является метод емкостно-омического делителя.

Для измерения добротности варикапа используется резонансный метод.

Схемы измерения добротности варикапов с различной величиной добротности изображены на рис. 6 и 7. Погрешность измерения добротности варикапа по схеме рис.6 не более ±15% (при отсутствии эталона добротности), а при наличии аттестованного эталона (последовательной .RC-цепочки) -- не более ±10%.

Добротность варикапа вычисляется по формуле

.



Где - емкость варикапа, равная разности двух показаний конденсатора ; - полная емкость контура, настроенного в резонанс при заданной частоте; - собственная добротность контур без варикапа; Q - показания шкалы измерителя Q, выраженное в долях от максимального значения шкалы, принимаемого за единицу.

Индуктивность контура находят по формуле

, мкгн.

Сопротивление резистора R и емкость конденсатора , и выбирают из условий:

Где - входное сопротивление усилителя на частоте измерения.

При добротности варикапов менее 50 используется схема измерения, изображенная на рис. 7.



Калибровка шкалы измерителя Q производиться с помощью эталонных параллельной и последовательной RC - цепочек с величинами емкости C и добротности Q, близким к параметрам измеряемых варикапов. Элементы схемы рис. 7 должны удовлетворять условиям:

Пределы изменения индуктивности контура L при перестройке

;

Где - добротность катушки; - максимальная добротность варикапа.

Переменное напряжение на варикапе рассчитывают по формуле

.

Где Uг - напряжение на выходе генератора (ГН1).

5. Функциональные зависимости параметров варикапов

Зависимость номинальной емкости от приложенного напряжения, температуры и частоты. В зависимости от назначения варикапов величина их номинальной емкости может быть в пределах от нескольких пикофарад до нескольких тысяч пикофарад. При изготовлении варикапов требуемую величину номинальной емкости, как правило, получают подбором площади р-п перехода. Зависимость емкости варикапа от приложенного напряжения определяется технологией изготовления р-п перехода.

При создании варикапов, предназначенных для перестройки резонансной частоты контура в широких пределах, обычно используется сплавной метод получения p-n перехода. Когда допускается меньшая крутизна вольтфарадной характеристики, как правило, применяют диффузионный метод получения р-п перехода. Специальным распределением концентрации примесей вблизи р-n перехода можно получить более резкую зависимость емкости от приложенного напряжения. В этом случае величина n в формуле (4) находится в пределах (3?n? 0,7). Однако такие варикапы имеют низкие рабочие напряжения, очень сложны в изготовлении, а величина n у них существенно отличается от образца к образцу.

Из анализа формул, определяющих величину емкости р-п перехода, следует, что при изменении температуры более всего меняется величина контактной разности потенциалов. Поскольку влияние разности потенциалов сказывается тем сильнее, чем меньше величина приложенного к варикапу напряжения, то, очевидно, ТКЕ варикапа будет увеличиваться с уменьшением внешнего приложенного напряжения. Обычно величина ТКЕ при напряжении 4 В составляет , а при напряжении 40 В не превышает . Емкость перехода практически не зависит от частоты в диапазоне частот от нескольких килогерц до тысяч мегагерц. Однако изменение элементов эквивалентной схемы в диапазоне частот может привести к изменению эквивалентной емкости варикапа.

Величина номинальной добротности варикапа, ее зависимость от приложенного напряжения, температуры, частоты. Величина добротности варикапов, как видно из формул (8) и (9), сильно зависит от частоты. При изменении частоты величина добротности варикапа достигает максимума на частотах 1--30 МГц (рис. 8), после чего начинает уменьшаться.



В связи с увеличением удельного сопротивления полупроводникового материала, в частности, кремния, при повышении температуры растет величина . Как правило, в диапазоне рабочих частот варикапов величина добротности определяется формулой (7), и поэтому при повышении температуры добротность ухудшается (рис. 9).

При увеличении приложенного к варикапу напряжения его добротность улучшается. Это объясняется уменьшением емкости (см. (7)) и последовательного сопротивления . Величина зависит от толщины базы w, которая уменьшается с расширением области объемного заряда d, и, следовательно, сопротивление также уменьшается.

Таким образом, если необходимо иметь более высокую добротность варикапа, надо подавать на него большие напряжения.

Измерение величины номинальной добротности варикапа производится обычно в условиях комнатной температуры при подаче на него переменного напряжения с амплитудой 50 мВ, имеющего частоту 50 МГц для варикапов УКВ диапазона с номинальной емкостью 5--50 пФ и 10 МГц для варикапов КБ диапазона с номинальной емкостью 100--500 пФ.

Большинство типов варикапов УКВ диапазона имеют номинальную добротность 25--30, у лучших типов она составляет 80--100, у некоторых групп равна 150--200.

Величина добротности варикапа не может быть сколь угодно большой.



Действительно, положим сопротивление контакта бесконечно малым, тогда зависит от удельного сопротивления исходного материала р, толщинs базы w и площади р-n перехода. Величина р определена заданным рабочим напряжением, а площадь р-п перехода ограничена требуемым значением номинальной емкости. Таким образом, единственным способом повышения добротности при заданных рабочем напряжении и номинальной емкости является уменьшение толщины базы. Однако толщину базы нельзя сделать меньше ширины области объемного заряда -- Поэтому при минимальном рабочем напряжении величину легко найти из формул (1), (3). Если учесть технологический запас, то окажется, что величина номинальной добротности кремниевых варикапов, емкость которых пропорциональна , не превышает 350--250 при рабочих напряжениях 80--100 в.



Заключение

Основное применение варикапов -- электрическая перестройка частоты колебательных контуров. Зависимость его емкости от напряжения отражает вольтфарадная 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 умножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах ис­пользуется и диффузионная емкость.

Промышленностью выпускаются варикапы как в виде дискретных элементов (например, КВ105, КВ109, КВ110, КВ114, BB148, BB149), так и в виде варикапных сборок (например, КВС111).



Список используемой литературы

1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. -- 4-е перераб. и доп. изд. -- М.: Высшая школа, 1987. -- С. 184--188. -- 479 с. -- 50 000 экз.

2. Диоды и тиристоры / Чернышев А.А., Иванов В.И., Галахов В.Д. и др.; Под общ. ред. А.А. Чернышева. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- М.: Энергия, 1980. -- 176 с. -- (Массовая радиобиблиотека. Выпуск 1005). -- 190 000 экз.

3. Под редакцией Горюнова Н.Н. и Носова Ю.Р. Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. Москва, Издательство «Советское радио», 1968 г.

4. Берман Л.С. Варикапы. Издательство: Энергия Год: 1965.

5. Берман Л.С., Нелинейная полупроводниковая ёмкость, М., 1963; его же. Введение в физику варикапов, Л., 1968 (библ. с. 174--78); Лабутин В.К., Частотно-избирательные цепи с электронной настройкой, М. -- Л., 1966 г.

Размещено на Allbest.ru

...