Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ

Курсовая работа

по дисциплине «Твердотельная электроника»

тема: Расчет параметров активных элементов твердотельной электроники

Студентки гр. 6204

Димашова П.Д.

Игнатьева Л.А.

Преподаватель

Изумрудов О.А.

Санкт-Петербург 2019



Задание на курсовую работу

варикап ёмкость диапазон напряжение

Студентки: Игнатьева Л.А., Димашова П.Д.

Группа 6204

Тема работы: «Расчет параметров активных элементов твердотельной электроники».

Исходные данные: Umin=5 В, Umax=15 B, Cном=25 пФ при U=Umin, особенности структуры-резкий p-n переход.



Аннотация

В представленной курсовой работе был исследован полупроводниковый прибор варикап, особенностью которого является зависимость барьерной емкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикап используется для перестройки частоты генераторов, настройки частотно-избирательных цепей с управлением напряжением, в системах автоматической подстройки частоты различных радиоприёмных устройств, в параметрических усилителях, для умножения частоты в умножителях частоты, управляемых напряжением фазовращателях и других. Также был рассмотрен принцип действия варикапа и рассчитаны основные геометрические параметры варикапа.



Summary

In the submitted term paper, the semiconductor device the varicap which feature is the dependence of barrier capacity of p-n of transition on reverse voltage was investigated. The varicap is used for reorganization of frequency of generators, setup of frequency-selective chains with management of tension, in the systems of automatic frequency control of different radio receivers, in parametric amplifiers, for frequency multiplication in the frequency multipliers managed by tension phase shifters and others. Also, the operation principle of the varicap was considered and the key geometrical parameters of the varicap are calculated.



Введение

В настоящее время число электронных компонентов, управляемых напряжением, стремительно растет. Такая тенденция связана с активным развитием цифровой техники сегодня. Прежде электронная аппаратура управлялась вручную, но цифровая техника избавила нас от этого. Теперь, однако, есть возможность управлять и настраивать устройства посредством задания характеристик. Такие изменения произошли благодаря появлению электронных компонентов, управляемых напряжением, одним из которых является варикап.

Варикап -- это полупроводниковый диод, основным параметром которого является, не односторонняя электрическая проводимость, а изменяемая под действием управляющего напряжения емкость. То есть в варикапе используется зависимость приложенного к нему обратного напряжения и емкости p-n-перехода.

На принципиальной схеме варикап имеет следующее обозначение(рис.1).

Рис. 1. Обозначение варикапа на схеме



1. Основные сведения

Варикап - полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения. Иными словами, в данном приборе используется зависимость приложенного к нему обратного напряжения и емкости p-n-перехода.

1.1 Принцип работы варикапа

Работа большинства полупроводниковых приборов - и в том числе варикапов - основана на использовании свойств электрического перехода - переходного слоя в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости. Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая - р-типа, называется электронно-дырочным переходом. Бывают симметричные и несимметричные р-n-переходы. В симметричных переходах выполняется условие nn = pp, где nn- концентрация электронов в полупроводнике n-типа, pp - концентрация дырок в полупроводнике р-типа. Таким образом концентрация основных носителей зарядов по обе стороны симметричного р-n-перехода равны. Однако на практике используются, как правило, несимметричные переходы, в которых концентрация дырок в полупроводнике р-типа больше концентрации электронов в полупроводнике n-типа (pp > nn), или наоборот (nn > pp), причем различие в концентрации может составлять 100-1000 раз. Низкоомная область, сильно легированная примесями (например, р-область в случае перехода pp > nn), называется эмиттером; высокоомная, слаболегированная (n-область в случае перехода pp > nn), - базой.

Вблизи плоскости р-n-перехода существуют большие градиенты концентрации электронов и дырок, которые вызывают диффузионные потоки дырок из р-области в n-область, а электронов из n-области в р-область. Возникают диффузионные токи Inдиф и Ipдиф. По аналогии с диффузией молекул газа можно ожидать, что диффузия электронов и дырок будет осуществляться до тех пор, пока их относительные концентрации не выравняются по всей структуре. Этого, однако, не происходит. Когда дырки диффундируют из р-области, в ней остается равное число отрицательных неподвижных ионов акцепторов. Аналогично, когда электроны диффундируют из n-области, в ней остаются положительные ионы доноров. Следовательно, в окрестности перехода диффузия дырок и электронов образует области с избыточной концентрацией неподвижных отрицательных зарядов в материале р-типа. Эти прилегающие к переходу области, содержащие неподвижные заряды, образуют область пространственного (объемного) заряда (рис. 1.). Области объемного заряда с каждой стороны перехода имеют заряд, противоположный заряду тех подвижных носителей, которые диффундировали из этой области. По мере развития диффузии размеры заряженных областей увеличиваются, растут силы, притягивающие обратно основные носители заряда. Эти силы препятствуют диффузионному потоку. Поэтому процесс диффузии можно рассматривать как самоограничивающийся; он продолжается до тех пор, пока силы притяжения нескомпенсированных ионов примесей в слое объемного заряда не уравновесят диффузионный поток; при этом результирующий перенос заряда и ток становятся равными нулю.

Таким образом, взаимная диффузия основных носителей неизбежно сопровождается перераспределением зарядов и образованием в р-n-переходе двойного электрического слоя ионов донора и акцепторов, жестко связанных с решеткой. Толщина этого слоя (показан на рис.1 пунктирной линией) Х = 10-4 … 10-5 см, а напряженность электрического поля Е0 = -gradц0, где ц0 - высота потенциального барьера. За пределами перехода изменение потенциала практически равно нулю, так как проводник электрически нейтрален и поле в нем отсутствует. Образовавшийся потенциальный барьер высотой ц0 препятствует движению основных носителей заряда через переход. Поле напряженности Е0 = ц0/Х выбрасывает из перехода подвижные носители «в свою область» (электроны в n, дырки в р-область). Поэтому область шириной Х называется обедненным слоем. Однако, это же поле Е0 является ускоряющим для неосновных носителей - дырок в n-области и электронов в р-области. В поле напряженности Е0 происходит их дрейф, возникают дрейфовые токи электронов Iдрn и дырок Iдрp. Движение зарядов прекращается, когда наступает динамическое равновесие и токи через переход уравниваются: Inдиф + Ipдиф = Iдрn + Iдрp.

Дрейфовые токи направлены навстречу диффузионным и равны им. При отсутствии внешнего поля результирующий ток через переход для каждого типа носителей равен нулю. Если к переходу приложить разность потенциалов таким образом, что плюс внешнего источника подключается к р-, а минус - к n-области, то этот источник создает в переходе электрическое поле Е противоположного Е0 р-n-перехода, отчего результирующее поле в переходе ослабляется и потенциальный барьер снижается. Высота потенциального барьера становится равной ц=ц0-UПР, где UПР - постоянное прямое напряжение, приложенное к переходу. В результате снижения потенциального барьера количество основных носителей, диффундирующих через переход, возрастает. При этом увеличивается количество подвижных носителей и в запирающем слое, сопротивление и его ширина уменьшается. Чем большее напряжение прикладывается, тем ниже становится потенциальный барьер, тем больше возрастает ток основных носителей, а так как их концентрация велика, то значителен и ток через переход. Ток растет очень резко с увеличением напряжения: Iпр ~ exp(qUпр/kT).

Если к переходу приложить напряжение Uобр обратной полярности, плюс - к n-, а минус - к р-области, то переход оказывается включенным в обратном направлении, приложенное к переходу напряжение называется обратным, а ток через переход - обратным током Iобр. Внешний источник в этом случае создает в переходе электрическое поле Е того же направления, что и поле самого перехода Е0, отчего потенциальный барьер повышается и его высота становится равной ц=ц0+UПР. В результате повышения потенциального барьера основные носители уходят из приконтактных областей обоих полупроводников, концентрация свободных носителей в области перехода по сравнению с равновесным состоянием уменьшается, увеличивается ширина р-n-перехода Х и его сопротивление. Диффузионный ток основных носителей почти прекращается, а неосновные носители выносятся полем в противоположные области. Основная составляющая тока через переход - ток дрейфа неосновных носителей. Но их концентрация невелика и ток через переход, включенный в обратном направлении, незначителен и практически не зависит от величины приложенного обратного напряжения.

Рис. 2. Изменение толщины барьерного обеднённого слоя вблизи p-n-перехода при изменении обратного напряжения, приложенного к структуре.

1.2 Конструкция варикапа

Как правило, варикапы изготавливаются по планарно-эпитаксиальной технологии, которая дает возможность оптимизировать электрические параметры прибора. На пластине сильнолегированного низкоомного полупроводника (обычно с n-типом проводимости) выращивается высокоомная плёнка низколегированного полупроводника n-типа. C помощью диффузии акцепторной примеси на поверхности эпитаксиального слоя формируется низкоомный анодный слой p-типа. Боковая поверхность структуры для защиты выходящего на поверхность p-n-перехода и увеличения обратного пробойного напряжения покрывается легкоплавким стеклом.

Рис. 4. Конструкция варикапа.

1.3 Электрические и эксплуатационные параметры варикапа

Сн - номинальная емкость, т.е. емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения;

Смакс - максимальная емкость - емкость варикапа при заданном минимальном напряжении смещения;

Смин - минимальная емкость - емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения;

RТ - общее тепловое сопротивление.

Кс = Cмакс/Смин - коэффициент перекрытия по емкости;

ТКC=dC/(CнdT) - температурный коэффициент емкости - относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры окружающей среды на 1 Кв рабочем интервале температур при заданном напряжении смещения;

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

ТКQв=dQв/(QвdT) - температурный коэффициент добротности - относительное изменение Qв при изменении температуры окружающей среды на 1 Кв заданном интервале температур.

К параметрам эксплуатационных режимов относятся:

Pв.макс - максимальная допустимая мощность - максимальное значение мощности, рассеиваемой на варикапе, при которой обеспечивается заданная надежность при его длительной работе;

Uобр.макс - максимально допустимое напряжение - максимальное мгновенное значение переменного напряжения на варикапе;

fмакc - fмин - частотный диапазон работы варикапа, определяемый граничными частотами, на которых добротность варикапа Qв= 1. При этом граничные частоты варикапа:

fмакс=1/(2рCбарrs); fмин=1/(2рСбарRy)

где rs=rЭ+rБ - сопротивление потерь в эмиттерной и базовой областях варикапа; Rу-сопротивление утечки перехода варикапа.

Самый простой вариант эквивалентной схемы варикапа для ВЧ и СВЧ переменного сигнала изображен на рис. 5. и представляет собой последовательное соединение зависящей от напряжения емкости C(U) и последовательного сопротивления потерь Rп.

Рис. 5. Вариант эквивалентной схемы варикапа.

Добротность Q, которая для эквивалентной схемы, приведенной на рис. 5, равна:

Q = |XC|/Rп = 1/2рfRпC

где f -- рабочая частота.

Предельная частота fпр -- частота, на которой Q = 1, то есть: fпр = 1/2рRпC.

1.4 Эквивалентная схема

В настоящее время практически во всех перестраиваемых по частоте узлах электронной аппаратуры вместо устаревших механических методов перестройки используется электронная перестройка с помощью варикапов -- полупроводниковых приборов с емкостью, зависящей от величины приложенного напряжения.

Основными преимуществами данного метода являются: малые габариты узла настройки; возможность очень просто увеличить количество одновременно перестраиваемых контуров; отсутствие габаритных механических элементов, позволяющее размещать варикапы непосредственно около контурных катушек; возможность снижения паразитных излучений от элементов гетеродинов и т.п. за счет введения качественной экранировки каждого каскада; легкое сочетание плавной настройки и фиксированной, которая обеспечивается подачей на варикапы заранее установленных управляющих напряжений; хорошее согласование с цепями АПЧ; большое сопротивление механическим воздействиям, а следовательно, большая надежность и полное отсутствие микрофонного эффекта; возможность дистанционного управления и автоматизированного поиска нужной частоты без применения механических узлов.

Зависимость емкости варикапа C от приложенного обратного напряжения Uобр приблизительно определяется соотношением:

C?K/(Uобр+цк)n

где: K -- постоянная величина, зависящая от геометрических размеров и физических свойств перехода (диэлектрической проницаемости материала), цк -- контактная разность потенциалов перехода, равная 0,8...0,09 В для кремниевых варикапов и 0,35...0,45 для германиевых; n -- показатель, зависящий от концентрации примесей в переходе, т.е. от технологии изготовления диода. В наиболее распространенных в настоящее время варикапах n < 0,5. Большие значения встречаются в диодах, которые имеют повышенный коэффициент перекрытия по емкости.

Эквивалентная схема варикапа при работе в режиме обратного смещения представлена на рис. 6 (в схеме не показаны индуктивность выводов и емкость корпуса).

Рис. 6. Эквивалентная схема варикапа



Здесь: Rш -- сопротивление потерь запирающего слоя, Rп -- последовательное сопротивление потерь материала полупроводника и контактов, Cб -- барьерная емкость перехода.

Добротность варикапа зависит от сопротивления материала и от сопротивления потерь запирающего слоя (сопротивления утечки). Общее выражение для добротности варикапа:

Q=щCRш/(щ2C2RпRш+1)

В общем случае значения Rп и Rш также зависят от частоты сигнала. На низких частотах преобладающими являются потери в переходе, которые падают с увеличением частоты, т.е. добротность варикапа растет. На высоких частотах значительными становятся потери в материале полупроводника, а добротность варикапа падает. Частота, на которой добротность варикапа имеет максимальное значение: f0=1/2рvRпRш

При этом выражение для максимальной добротности:

Qmax=0,5*vRшRп

Обычно варикапы используются на частотах приблизительно на порядок выше f0. Добротность варикапа существенно зависит от емкости перехода, которая, в свою очередь, зависит от величины приложенного напряжения. В результате с увеличением этого напряжения добротность варикапа увеличивается.

Верхней границей управляющего напряжения является максимально допустимое обратное напряжение перехода, а нижняя определяется моментом открывания перехода. Чтобы переход все время оставался обратно смещенным, минимальная величина управляющего напряжения в предельном случае должна быть не меньше амплитуды переменного напряжения ВЧ сигнала на перестраиваемом контуре.

Кроме того, минимально допустимое управляющее напряжение определяется величиной допустимых искажений формы резонансной кривой контура. В случае, если амплитуда сигнала соизмерима с величиной управляющего напряжения, средняя емкость варикапа не будет равна емкости, измеренной при малом сигнале, так как емкость за один полупериод ВЧ сигнала будет изменяться больше, чем за другой (рис. 7). Поэтому с ростом амплитуды сигнала контур расстраивается и его добротность падает.

Рис. 7. Искажение сильного сигнала при малом значении управляющего напряжения

Поскольку, как было показано выше, с увеличением управляющего напряжения добротность варикапа увеличивается, целесообразно выбирать возможно более высокие величины управляющих напряжений. Однако с увеличением управляющего напряжения крутизна вольт-фарадной характеристики варикапа уменьшается, т.е. при больших величинах управляющих напряжений для перекрытия заданного диапазона частот необходим больший диапазон изменения управляющего напряжения. Коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот дополнительно уменьшается из-за наличия собственной емкости контурной катушки и других подключаемых параллельно контуру конденсаторов (для подстройки, для компенсации разброса параметров контура и т.п.)

Возможные схемы включения варикапа в контур (без цепей смещения по постоянному току) показаны на рис. 8. Когда необходимо обеспечить перекрытие заданного диапазона частот при минимальном возможном диапазоне управляющих напряжений, варикап в контур включают по схеме рис. 8. Требуемый коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот достигается соответствующим выбором емкости C0 и емкостей Cmin и Cmax варикапа, определяемых типом варикапа и диапазоном изменения управляющего напряжения на нем. Чем меньше значение C0, тем большее перекрытие по частоте можно обеспечить при заданном диапазоне управляющих напряжений (уменьшение C0 обычно возможно только до определенного предела, поскольку при этом для сохранения резонансной частоты контура на прежнем уровне приходится изменять намоточные данные индуктивности, входящей в контур, что увеличивает ее собственную емкость и влияет на общую добротность контура).

Рис. 8. Схемы включения варикапа в контур

В некоторых случаях при использовании для перестройки контуров варикапов важным фактором является обеспечение высокой добротности избирательных цепей. При этом для уменьшения влияния потерь в варикапе искусственно уменьшают долю емкости варикапа в полной емкости за счет введения дополнительных конденсаторов постоянной емкости (C1 на рис. 8.) с малыми потерями. Однако для сохранения прежнего коэффициента перекрытия по частоте необходимо расширять пределы изменения управляющего напряжения варикапа и заходить в область более низких добротностей самого варикапа, так что выигрыш в добротности избирательной цепи возможен лишь при определенных соотношениях между емкостями варикапа и дополнительных конденсаторов. Наибольший выигрыш в добротности на нижнем конце диапазона частот получается при всяческом уменьшении величин емкостей конденсаторов контура.

При конструировании схем с варикапами следует иметь в виду, что при изменении температуры окружающей среды емкость (и добротность) варикапов меняется. Это обусловлено изменениями контактной разности потенциалов и диэлектрической проницаемости используемого полупроводникового материала. Изменение емкости происходит в направлении увеличения общей емкости с повышением температуры, т.е. температурный коэффициент емкости варикапа (бC) положителен и зависит от величины приложенного управляющего напряжения.

Изменение контактной разности потенциалов при изменении температуры почти линейно во всем рабочем диапазоне температур варикапа (уменьшается приблизительно на 2,3 мВ при повышении температуры на 1 °C). При малых значениях управляющих напряжений контактная разность потенциалов достаточно велика по сравнению с общим напряжением смещения на переходе, что приводит к значительному изменению емкости варикапа при колебаниях температуры. По мере увеличения управляющего напряжения изменения емкости становятся менее значительными. Для кремниевых варикапов в интервале управляющих напряжений 2...10 В значение бC примерно обратно пропорционально величине управляющего напряжения.

При значениях управляющих напряжений, больших чем 15...20 В, величина бC почти не зависит от приложенного напряжения и определяется температурной зависимостью диэлектрической проницаемости материала перехода, которая остается постоянной во всем диапазоне изменения управляющего напряжения. Поскольку изменение емкости варикапа под влиянием температуры окружающей среды возникает за счет двух несвязанных между собой факторов, лучшая температурная компенсация достигается, если обеспечить отдельную компенсацию обоих эффектов. В зависимости от выбранного диапазона управляющих напряжений и от требований к точности компенсации бC в схему могут вводиться различные элементы, компенсирующие влияние температуры либо на изменение контактной разности потенциалов, либо на изменение диэлектрической проницаемости полупроводникового материала перехода, либо одновременно на то и другое. Простые методы температурной компенсации, когда в контур включаются конденсаторы с отрицательным температурным коэффициентом емкости, могут использоваться лишь в схемах с малыми пределами изменения управляющих напряжений (не более 1,5...2 раза).

1.5 Применение

Варикапы чаще всего применяются в электронных блоках частотной модуляции, деления и умножения частоты, а также в схемах, предназначенных для того, чтобы перестраивать частоты колебательных контуров. Они необходимы в них в качестве элементов, имеющих электрически управляемую емкость. Если ранее практически во всех электронных узлах, которые располагали функцией перестройки частоты, для ее реализации применялись различные механические устройства, которые морально устарели сразу же после того, как появились варикапы.

Эти приборы имеют совсем небольшие габариты, что положительно сказывается на размерах устройств, в которых они используются. Кроме того, применение варикапов позволяет при необходимости без особых проблем существенно увеличить число перестраиваемых контуров, а также располагать их в непосредственной близости к контурным катушкам. С помощью этих электронных компонентов разработчики успешно реализовывают разнообразные сочетания фиксированных и плавных настроек при помощи подачи на них управляющих напряжений заранее определенной величины.

Устройства, в которых используются варикапы, хорошо противостоят различным механическим воздействиям, они весьма надежны и в них отсутствует так называемый «микрофонный эффект». Еще одним преимуществом электроники с применением варикапов, является то, что в ней легко реализовывается дистанционное управление.

Функционирование варикапов, как и других полупроводниковых приборов, базируется на тех свойствах, которые имеет полупроводниковый переход, образующийся на границе материалов, имеющих различные типы электропроводности.



2. Расчет основных геометрических параметров варикапа

2.1 Концентрация примесей в исходном материале

Найдем значение пробивного напряжения из формулы:

,

.

Удельное сопротивление исходного материала для формирования структуры варикапа рассчитаем по формуле:

,

(где B = 96 - коэффициент для p+ - n- переходов)

.

По найденному значению определим концентрацию легирующей примеси в базе варикапа, прилегающей к p+ - n- переходу по формуле:

,

,

где - подвижность электронов в полупроводниковой подложке при Т= 300 К.

Принимается, что концентрация легирующей примеси в низкоомной области, прилегающей к p - n переходу (в эмиттере), в 1000 раз больше, чем соответствующая концентрация примеси в высокоомной области, поэтому концентрацию акцепторов в эмиттере рассчитаем по формуле:

= 2,4.

2.2 Площадь p-n перехода варикапа и толщина базы диода

Эффективные плотности состояний электронов в зоне проводимости и в валентной зоне рассчитаем по следующим формулам:

,

.

Рассчитаем собственную концентрацию заряда в кремнии ирина запрещенной зоны кремния температурный коэффициент ширины запрещенной зоны ?? = 4 эВК:

) = .

Рассчитаем контактную разность потенциалов



Найдем толщину резкого p-n перехода варикапа д, соответствующую U= = 5 В:

Данные для построения рисунка 10 представлены в таблице 1.

Таблица 1. Рассчитанные значения толщины резкого p-n перехода варикапа и соответствующие им напряжения

U, В	??, м
5	5,72
6	6,19
7	6,62
8	7,02
9	7,41
10	7,77
11	8,12
12	8,45
13	8,77
14	9,08
15	9,38

Рис. 15. Зависимость толщины резкого p-n перехода варикапа от соответствующих им значений напряжений



Рассчитаем удельную ёмкость по формуле:

Определим площадь p-n перехода S при Св = Сном = 25 пФ - емкость, измеренная между выводами варикапа:

S =

2.3 Построение вольт-фарадной характеристики

Рассчитаем Срез(0) - ёмкость при нулевом напряжении на диоде для резкого p - n перехода по формуле:

Для построения вольт - фарадной характеристики рассчитаем Св - ёмкость при нескольких значениях напряжения обратного смещения Uобр:

где n = 2 - для резкого p - n перехода.

Данные для построения рисунка 11 представлены таблице №2.



Таблица 2. Рассчитанные значения обратных напряжений и соответствующих им ёмкостей варикапа

Uобр, В	Св , Ф
5	2,48
6	2,30
7	2,15
8	2,02
9	1,92
10	1,83
11	1,75
12	1,68
13	1,62
14	1,56
15	1,51

Рис. 16. Вольт - фарадная характеристика варикапа

2.4 Коэффициент перекрытия по ёмкости

Коэффициент перекрытия рассчитаем по формуле:

Значения ёмкостей взяты из таблицы №2.

2.5 Дифференциальное сопротивление в рабочем диапазоне напряжений

Чтобы определить дифференциальное сопротивление p - n перехода rp-n, необходимо рассчитать обратную ветвь вольт-амперной характеристики диода. Для этого определим обратный ток через диод Iобр, который состоит из: тока экстракции неосновных носителей заряда из областей, прилегающих к p - n переходу, а также тока генерации носителей заряда в области p - n перехода, которые определяются соотношениями:

Iген =

Найдем диффузионные длины неосновных носителей заряда в n- и p- областях из соотношения:

оэффициент диффузии:

.

.

.

.

Концентрацию неосновных носителей заряда определим по закону действующих масс:



.

.

Iобр = -М ( Iген ),

где М - коэффициент лавинного размножения, показывающий во сколько раз увеличится ток через p-n переход в результате ударной ионизации:

М=[1-(

p+ - n- переходов.

Построим обратную ветвь ВАХ варикапа с помощью рассчитанных данных из таблицы 3:

Таблица 3. Рассчитанные значения обратных токов и соответствующие им обратные напряжения

Uобр, В	Iобр , A
-5	-1,86
-6	-1,87
-7	-1,90
-8	-1,94
-9	-1,99
-10	-2,07
-11	-2,18
-12	-2,33
-13	-2,55
-14	-2,87
-15	-3,39

Рис. 17. Обратная ветвь ВАХ варикапа.

Зная обратные токи при предельных значениях обратного напряжения, рассчитаем дифференциальное сопротивление p - n перехода в рабочем диапозоне напряжений rp-n :

.

2.6 Максимальная рабочая частота

Рассчитаем максимальную частоту , характеризуемая временем диэлектрической релаксации:



Диапазон рабочих частот варикапов обычно ограничивается уменьшением добротности варикапа при изменении частоты переменного напряжения до значения Нижний предел рабочих частот ограничен постоянной времени перезаряда барьерной ёмкости

Рассчитаем рабочий диапазон частот и найдем его нижнюю границу - постоянную времени перезаряда барьерной ёмкости :

Ф.

Зная, что:

=(1,2…1,5)??max= 1,35*5,72*10-7= 7,7*10-7, то объемное сопротивление базы:

0,01 Ом,

тогда

Рассчитаем минимальную частоту:

.

2.7 Зависимость добротности от частоты

Рассчитаем максимальную добротность Q, которая достигается в диапазоне частот 1…10 МГц:

1,9*105 .

Определим частоту , соответствующую максимальной добротности:

,

.

Рассчитаем зависимость добротности варикапа от частоты по формуле:

.

Данные для построения рисунка13 были взяты из таблицы 4:

Таблица 4. Рассчитанные значения для зависимости добротности варикапа от частоты

рад/с	*105
0	0,00
54210	1,59
108420	1,93
162630	1,75
216840	1,50
271050	1,29
325260	1,12
379470	0,98
433680	0,87
487890	0,78
542100	0,71



Рис. 18. Зависимость добротности варикапа от частоты.



Заключение

В представленной курсовой работе был рассмотрен полупроводниковый прибор: варикап 2B102А, а также его структура и принцип работы. Кроме того, были определены основные параметры и характеристики варикапа.

Концентрация примесей в исходном материале: , площадь p-n перехода варикапа и толщина базы диода представлены в таблице 1. Коэффициент перекрытия по емкости равен

Была определена вольт-фарадная характеристика прибора, иллюстрацию которой можно увидеть на рис. 16. Из графика следует, что чем больше приложенное к варикапу обратное напряжение, тем меньше ёмкость варикапа. Максимальная рабочая частота для данного варикапа .

Для расчета дифференциального сопротивления потребовалось сначала определить обратную ветвь ВАХ варикапа, график которой представлен на рис. 17. Исходя из полученной зависимости .

Также была рассчитана зависимость добротности варикапа от частоты, график которой представлен на рис. 18. По полученной зависимости можно сказать, что на низких частотах добротность варикапа растет с увеличением частоты, а на высоких частотах его добротность с увеличением частоты уменьшается. Максимально возможная добротность варикапа имеет значение 1,9*105.



Список литературы

1. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов по спец. ”Полупроводники и диэлектрики” и ”Полупроводниковые и микроэлектронные прибо- ры” -- 4-е изд., перераб. и доп. -- М.: Высш. шк., 1987. -- 479 с.

2. Расчет параметров активных элементов твердотельной электроники. Методические указания по курсовому проектированию / Сост: И.И. Зятьков, О.А. Изумрудов, Л.А. Марасина. Спб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006. 60с.

Размещено на Allbest.ru

...