Варикап
Варикап — полупроводниковый элемент, в котором используется свойство электронно-дырочного перехода изменять свою емкость в зависимости от приложенного напряжения. Предназначен для использования в качестве управляемой напряжением емкости. Работает при обратном напряжении, приложенном к p-n переходу. Емкость меняется в широких пределах.
Варикапы — приборы с сильно выраженной нелинейностью, по сути — это обратносмещенный полупроводниковый диод. Прямая ветвь его вольтамперной характеристики, принципиальная для основного назначения диода (выпрямление, детектирование), для варикапа несущественна. В общем случае как варикап можно использовать (и на практике это нередко реализуют) диод и даже коллекторный или эмиттерный переход биполярного транзистора.
На рисунке показана типичная вольт-фарадная характеристика варикапа Д902, построенная в линейных координатах. Подобные характеристики можно найти в справочной литературе. Они позволяют определить емкость варикапа при различных значениях напряжения смещения.
Однако лучше иметь дело с вольт-фарадной характеристикой варикапа, построенной в «двойном» (то есть по обеим осям) логарифмическом масштабе. Известно, что статическая функция выглядит в таком масштабе как прямая линия, причем тангенс угла ее наклона к оси ординат численно равен показателю степени функции.
Вольт-фарадная характеристика варикапа, построенная в «двойном» логарифмическом масштабеСказанное выше касается «классического» варикапа. Для увеличения эффективности управления современными варикапа при их изготовлении принимают специальные технологические мероприятия, в результате их вольт-фарадные характеристики могут иметь уже не столь простой вид.
Поскольку вольт-фарадные характеристики варикапа нелинейные, его использование в аппаратуре неизбежно приводит к появлению искажений.
Есть такие узлы, в которых к варикапу должно быть подведено переменное напряжение — речь идет о генераторах. В таком случае варикап используется обычно для создания частотной модуляции сигнала генератора.
На рисунке показана распространенная схема включения варикапа в колебательный контур генератора:
Схема включения варикапа в колебательный контур генератораКак же определить границу зоны нормальной работы варикапа в генераторе? Можно, например, измерять переменное напряжение на варикапе и сравнивать его с управляющим. Для этого необходимо иметь ВЧ вольтметр с высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью (чтобы его подключения не меняло режима работы генератора).
Минимально допустимое управляющее напряжение на варикапе можно определить, не нарушая режим работы генератора, и с помощью частотомера. Его подключают к выходу генератора и снимают зависимость крутизны управления генератором от управляющего напряжения.
dF/dU
Результаты измерений крутизны управления частотой генератора с полным включением варикапа в контур представлены на рисунке. Видно, что при управляющем напряжении на варикапе ниже 3,5 В он выходит из нормального режима.
Иначе говоря, для указанного генератора это напряжение и будет критическим.
При дальнейшем уменьшении управляющего напряжения наклон кривой может вообще изменить свой знак! Происходит это из-за уже упоминавшегося выпрямления высокочастотного напряжения, приложенного к варикапу. Выпрямленное напряжение вычитается из управляющего и начинает преобладать над ним.
что это какое, применение, маркировка (обозначение )и способы проверки
Содержание:
Варикап – это одна из разновидностей полупроводниковых диодов. Главным его свойством является барьерная емкость при приложении к ней так называемой обратного напряжения. Минусовой полюс подключается в этом случае к плюсовому выходу самого варикапа. Когда подается управляющее напряжение, допусти низкочастотный сигнал, он приводит изменение в величине того самого обратного тока на обоих электродах варикапа.
Используются эти радиодетали при построении схем модуляторов в роли переменной емкости, которая управляется электрическим путем, а не механическим.
В статье будут описаны все тонкости устройства варикапов, где они используются и для чего. Также по данной теме содержится видеоролик и подробная статья.
Представленный компонент является полупроводниковым диодом. Его работа основана на применении зависимости между емкостью и обратным напряжением. Важными показателями варикапа считаются добротность, рассеиваемая мощность, общая емкость и коэффициент перекрытия по ней, постоянный обратный ток и напряжение.
При помощи таких элементов производится электронная настройка контуров колебательного типа в радиоприемных устройствах и средствах связи. Для использования их опций в схему обязательно включается обратное напряжение. При его подаче на диод происходит изменение величины емкости барьера. Она может варьироваться в широких пределах, что отличает варикап от компонентов со схожими функциями.
Обозначение варикапа на схемеПреимущества применения варикапов
Эти элементы используются там, где нужно изменять емкость.
Чаще всего они встречаются в схемах приборов, принимающих радиосигналы. Сюда относятся телевизионные тюнеры и традиционные радиоприемники. Наиболее ярким примером действия варикапа является опция «автопоиск каналов», давно ставшая обязательной в современных телевизорах. Разрабатываются варикапы на основании диодов, но по сути они являются конденсаторами. Их основными положительными качествами выступают:
- низкий уровень потерь электроэнергии;
- незначительный коэффициент температурной емкости;
- небольшая стоимость;
- надежность и продолжительный срок службы.
На практике весьма успешно диоды КВ используются на предельно высоких частотах, в условиях, где емкость конденсатора достигает долей пикофарад. Благодаря им удается избежать изменений частоты колебательного контура, что недопустимо для оборудования. Существует несколько видов варикапов. Таблица с полной справочной информацией по ним представлена ниже:
Таблица основных параметров варикапов.
Помимо обычных компонентов, выпускаются сдвоенные, а также строенные аналоги, которые соединены одним катодом. Найти можно и классические сборки. Это корпуса с несколькими варикапами, отличающиеся отсутствием электрической связи.
Варикап.Номинальная емкость
Номинальная емкость варикапа представляет его барьерную емкость при заданном напряжении смещения. На основании зависимости барьерной емкости от приложенного к выводам варикапа обратного напряжения строится так называемая вольт-фарадная характеристика варикапа, имеющая участок, форма которого близка к линейной. Для того чтобы варикап работал именно на этом участке характеристики, на его электроды следует подать исходное напряжение смещения, величина которого определяет положение рабочей точки варикапа, то есть его номинальную барьерную емкость.
[stextbox id=’info’]Под коэффициентом перекрытия по емкости в рабочем интервале напряжений понимается отношение общих емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения.
Обычно определение данного коэффициента производится для емкостей в рабочем интервале напряжений, то есть коэффициент перекрытия по емкости представляет собой отношение максимальной и минимальной емкостей варикапа.[/stextbox]
Значение максимальной рабочей частоты определяет граничную частоту, при превышении которой основные параметры варикапа перестают соответствовать паспортным данным. Добротность конденсатора, роль которого выполняет варикап, рассчитывается как отношение реактивного сопротивления на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданной емкости варикапа или обратном напряжении.
Особого внимания заслуживает температурный коэффициент варикапа, который характеризует зависимость величины его емкости от температуры окружающей среды. Помимо указанных параметров при выборе варикапа для каскада модуляции миниатюрного радиопередатчика следует обратить внимание на такие параметры, как максимальная рассеиваемая мощность, максимально допустимое обратное постоянное напряжение, а также постоянный обратный ток при этом напряжении.
Материал по теме: Что такое реле контроля.
Основные схемы включения варикапа
Одним из основных способов осуществления модуляции в транзисторных микропередатчиках является воздействие модулирующего НЧ-сигнала на параметры селективного элемента ВЧ-генератора. Селективный элемент обычно представляет собой резонансный контур, образованный параллельно включенными катушкой индуктивности и конденсатором.
Изменение параметров входящей в состав контура катушки индуктивности в миниатюрных радиопередатчиках довольно затруднительно, поскольку соответствующие схемотехнические решения весьма сложны, а их реализация трудоемка. В то же время применение варикапа, доступного и дешевого полупроводникового элемента, емкость которого можно изменять, непосредственно подавая на его выводы модулирующее напряжение, значительно упрощает решение задачи. Поэтому схемотехнические решения модуляторов на варикапах, обеспечивающие частотную модуляцию ЧМ-сигнала с весьма приемлемыми параметрами, пользуются особой популярностью.
В транзисторных LC-генераторах варикап в качестве элемента с емкостным характером комплексного сопротивления может быть подключен к резонансному контуру как параллельно, так и последовательно. Упрощенные принципиальные схемы включения варикапа параллельно резонансному контуру (без цепей формирования напряжения смещения варикапа) приведены на рис. 4.1. Отличительной особенностью схемотехнического решения, изображенного на рис. 4.1б, является включение варикапа вместо конденсатора параллельного резонансного контура.
При разработке модулятора на варикапе не следует забывать о том, что для функционирования этого полупроводникового прибора в штатном режиме на его выводы следует подавать напряжение смещения определенной величины. Поэтому в состав модулирующего каскада необходимо включить соответствующую цепь формирования напряжения смещения варикапа.
Такая цепь в миниатюрных транзисторных передатчиках обычно выполняется на резисторах.
Параллельный колебательный контур образован катушкой индуктивности L1 и емкостью варикапа VD1. Резонансная частота контура может изменяться при изменении величины обратного напряжения на варикапе, которое зависит от положения движка потенциометра R2. Для того чтобы уменьшить шунтирующее влияние потенциометра R2 на добротность контура, в цепь включен резистор R1, имеющий сравнительно большое сопротивление. Также в состав цепи включен разделительный конденсатор С1, без которого варикап VD1 оказался бы замкнут накоротко через катушку L1.
Схема строения варикапа.Аналогичные схемы включения варикапа используются и в транзисторных трехточечных LC-генераторах. Широкое распространение получили схемотехнические решения, в которых варикап подключается параллельно катушке индуктивности (в индуктивных трехточках), а также параллельно одному из конденсаторов емкостного делителя ВЧ-генератора (в емкостных трехточках).
Весьма разнообразны схемотехнические решения модуляторов с применением варикапа, предназначенные для модуляции сигнала генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.
При создании таких конструкций приходится, с одной стороны, добиваться высокой стабильности частоты генератора с помощью кварцевого резонатора, а с другой – обеспечивать возможность изменения этой частоты по закону модулирующего сигнала. Обычно при разработке транзисторных микропередатчиков для ВЧ-генератора с кварцевой стабилизацией частоты выбираются осцилляторные схемы, в которых кварцевый резонатор используется в качестве элемента с индуктивным характером комплексного сопротивления в резонансном контуре. В этом случае варикап, как элемент с изменяемой по закону модуляции емкостью, может быть подключен как последовательно, так и параллельно кварцевому резонатору.
Варикап на схеме.Расчет характеристик
Управляемые напряжением полупроводниковые конденсаторы переменной емкости – варикапы – приборы с сильно выраженной нелинейностью.
По этой причине в цепях, где к варикапу приложено переменное напряжение относительно большой амплитуды, он способен преподнести сюрприз. По сути, варикап – это обратносмещенный полупроводниковый диод. Прямая ветвь его вольт-амперной характеристики, принципиальная для основного назначения диода (выпрямление, детектирование), для варикапа несущественна. В общем случае в качестве варикапа можно использовать (и на практике это нередко реализуют) диод и даже коллекторный или змиттерный переход биполярного транзистора.
В отличие от полупроводниковых диодов, у варикапов нормируют (и, разумеется, обеспечивают при производстве) емкость р-n перехода при определенном напряжении смещения на нем и добротность. Заметим, что добиться добротности варикапа, заметно превышающей добротность контурной катушки, непросто. Это объясняется тем, что в варикапе, как и в любом диоде, последовательно с р-n переходом всегда включено сопротивление базовой области полупроводника, а параллельно – эквивалентное сопротивление, обусловленное обратным током через переход.
Относительно низкая добротность варикапа подразумевает, в частности, необходимость учитывать ее при расчете добротности колебательного контура
Зависимость емкости р-n перехода от приложенного к нему обратного напряжения имеет степенной характер вида С-U-n, где значение параметра n может находиться в пределах от 0,33 до 0,5 (определяется технологией изготовления перехода). На рис. 1 показана типовая вольт-фарадная характеристика варикапа Д902, построенная в линейных координатах. Подобные характеристики можно найти в справочной литературе. Они позволяют определить емкость варикапа при различных значениях напряжения смещения.
Материал в тему: Что такое кондесатор
Однако предпочтительнее иметь дело с вольт-фарадной характеристикой варикапа, построенной в “двойном” (т. е. по обеим осям) логарифмическом масштабе. Известно, что степенная функция выглядит в таком масштабе как прямая линия, причем тангенс угла ее наклона к оси ординат численно равен показателю степени функции.
На рис. 2 показан этот график для варикапа Д902. Измерив обычной линейкой стороны прямоугольного треугольника ABC, получаем для модуля показателя степени значение 0,5 (АВ/ВС). Падающий характер характеристики говорит о том, что этот показатель имеет минусовой знак. Таким образом, зависимость емкости варикапа Д902 от приложенного напряжения имеет вид С = U-0.5.
Сказанное выше относится к “классическим” варикапам. Для увеличения эффективности управления современными варикапами при их изготовлении принимают специальные технологические меры, поэтому и вольт-фарадные характеристики могут иметь уже не столь простой вид. Поскольку вольт-фарадная характеристика варикапа нелинейна, его использование в аппаратуре неизбежно приводит к появлению искажений. Немецкий радиолюбитель Ульрих Граф (DK4SX) провел измерения интермодуляционных искажений второго и третьего порядков в различных полосовых фильтрах, содержащих полупроводниковые диоды (Ulrich Graf. Intermodulation an passiven Schaltungsteilen.
– CQ DL, 1996, № 3, s. 200-205). Он подавал на вход фильтра (входное сопротивление 50 Ом) два сигнала с уровнем +3 дБ (10 мВ на сопротивлении 50 Ом) и анализировал спектр выходного сигнала. Значения частоты входных сигналов Граф выбирал так, чтобы продукты интермодуляции попадали в полосу пропускания фильтра.
В одном из экспериментов в двуконтурном входном полосовом фильтре постоянные конденсаторы, входящие в колебательные контуры, были заменены варикапами. Интермодуляционные составляющие второго порядка на выходе фильтра при этом возросли по уровню на 10 дБ, а третьего – почти на 50 дБ! Иными словами, варикапы во входных цепях приемников способны ухудшить их реальную избирательность, хотя, скорее всего, они так “сработают” лишь в аппаратуре относительно высокого класса (связная техника). Впрочем, и в приемнике среднего класса интермодуляция на входном варикапе может стать существенной, если приемник эксплуатируют вблизи передающих устройств.
ПЕРЕМЕННЫЙ КОНДЕНСАТОР?»> Есть, однако, узлы, в которых к варикапу принципиально должно быть подведено относительно большое переменное напряжение – речь идет о генераторах. Как же определить границу зоны нормальной работы варикапа в генераторе? Можно, например, измерять переменное напряжение на варикапе и сравнивать его с управляющим.
Интересно почитать: маркировка различных диодов.
Для этого необходим ВЧ вольтметр с высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью (чтобы его подключение не изменяло режима работы генератора). Минимально допустимое управляющее напряжение на варикапе можно определить, не нарушая режима работы генератора, и с помощью частотомера. Его подключают к выходу генератора и снимают зависимость крутизны управления генератором от управляющего напряжения.
График напряжения варикапа.Крутизна управления – зто отношение изменения частоты генератора к вызвавшему его заданному изменению управляющего напряжения – ΔF/ΔU.
При полном включении варикапа в контур крутизна может, например, быть описана степенной функцией (по крайней мере, для Д902), показатель которой зависит от вида вольт-фарадной характеристики варикапа. Вспомним (см. выше), что такая функция, если ее построить в “двойном” логарифмическом масштабе, представляет собой прямую линию.
[stextbox id=’info’]Если варикап начнет выходить из нормального режима работы, характер зависимости крутизны от управляющего напряжения изменится. Это справедливо и в более общем случае, когда варикап включен в контур не полностью или его вольт-фарадная характеристика – не степенная функция.[/stextbox]
Поскольку вольт-фарадная характеристика нелинейна, измерения следует вести в определенной последовательности. Установив некоторое управляющее напряжение Uynp, определяют частоту генератора Fr. Затем сначала уменьшают зто напряжение до Uyпр – ΔUynp, а потом увеличивают до Uynp + ΔUynp и считывают по табло частотомера соответствующие значения частоты Fr1 и Fr2.
Крутизну управления при управляющем напряжении Uyпр рассчитывают по формуле ΔF/ΔU = (Fr2-Fr1)/2ΔUynp. Абсолютное значение изменения напряжения ΔUyпp должно быть минимальным, но таким, при котором можно надежно фиксировать изменение частоты генератора. Затем устанавливают другое значение управляющего напряжения Uупр и повторяют измерения. Такая методика уменьшает влияние нелинейности вольт-фарадной характеристики варикапа на точность измерения крутизны управления. Результаты измерений крутизны управления частотой генератора с полным включением варикапа в контур (см. рис. 3) представлены на рис. 5. Видно, что при управляющем напряжении на варикапе ниже 3,5 В он выходит из нормального режима. Иначе говоря, для указанного генератора это напряжение и будет критическим.
При дальнейшем уменьшении управляющего напряжения наклон кривой может вообще изменить свой знак! Происходит это из-за уже упоминавшегося выпрямления высокочастотного напряжения, приложенного к варикапу.
Выпрямленное напряжение вычитается из управляющего и начинает преобладать над ним. Если описанная ситуация произойдет, например, с гетеродином вашего приемника, будет чему удивляться. Представьте себе – при вращении в одну и ту же сторону ручки переменного резистора “Настройка” частота приема сначала изменяется в одном направлении, затем практически перестает изменяться, а потом может пойти обратно.
Сфера использования
В настоящее время в транзисторных микропередатчиках и радиомикрофонах широкое распространение получили схемотехнические решения модуляторов, в которых в процессе модуляции в соответствии с мгновенным значением уровня модулирующего сигнала изменяются параметры и режимы работы активного элемента ВЧ-генератора, то есть биполярного или полевого транзистора.
Отдельную группу составляют схемы модуляторов с использованием варикапов, изменение емкости которых по закону модулирующего сигнала приводит к соответствующему изменению параметров селективного элемента, то есть резонансного контура.
В связи с ограниченным объемом данной книги в следующих разделах будут рассмотрены лишь некоторые из наиболее популярных схемотехнических решений модуляторов ВЧ-сигнала LC-генераторов, применяемые при разработке миниатюрных транзисторных радиопередающих устройств.
Заключение
В данной статье описаны все особенности строения и использования варикапа. Более подробно об этом можно узнать в статье Что такое варикап. В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:
www.diagram.com.ua
www.arsenal-info.ru
www.nvkurs.ru
www.know-house.ru
Предыдущая
ПолупроводникиЧто такое эффект Ганна и при чем здесь диоды
Следующая
ПолупроводникиЧто такое Диод Зенера
Основы, работа, характеристики и применение
В цифровых электронных схемах одним из основных основных устройств являются диоды.
Диод состоит из двух выводов. Эти две клеммы, подключенные к источнику питания, обеспечивают проводимость. Способ подключения терминала классифицирует его как диод с прямым или обратным смещением. При прямом смещении диод пропускает через себя ток. При обратном смещении он блокирует протекание тока. Это обратное смещение используется в случае варикапа. В зависимости от характеристик напряжения и тока и требований диоды классифицируются как туннельные диоды, стабилитроны и так далее.
Диод, емкость которого изменяется при приложении обратного напряжения, называется варакторным диодом. Обычно диоды плохо работают в условиях обратного смещения. Но этот варакторный диод относится к специальной классификации диодов, которые хорошо работают при обратном напряжении.
Варакторный диод
Варакторный диод Основы
Поскольку целью этого диода является изменение значения емкости, отсюда и другое название этого диода — вольткап или варикап. При производстве особое внимание уделялось тому, чтобы по сравнению с обычными диодами он хорошо отличался переходной емкостью.
Функциональность этого диода зависит от напряжения.
Как и обычный диод с P-N переходом, он представляет собой комбинацию материалов p-типа и n-типа. на основе использования областей p-типа и n-типа изготавливаются с использованием арсенида галлия или кремниевого материала. Использование материала может быть решено на основе частот. Если диод должен работать на низких частотах, предпочтителен кремний, в противном случае для более высоких частот используется арсенид галлия.
Подобно диоду с P-N-переходом, символ варактора состоит из двух выводов, известных как катод и анод. Где анод — это положительная сторона терминала, а катод будет отрицательным.
Символ варакторного диода
Работа варакторного диода
Чтобы понять принцип действия варакторного диода, необходимо знать конденсатор.
- Конденсатор является одним из электронных компонентов. Его цель — хранить заряд.
- Он разработан с использованием двух параллельных пластин, которые являются проводящими по своей природе и разделены средой диэлектрика.
- Уравнение емкости
с = ε А / Вт
- Из приведенного выше уравнения определено, что площадь конденсатора прямо пропорциональна значению емкости.
Варакторный диод Работа
Переменная емкость приводит к возникновению варакторного диода. Варакторный диод работает следующим образом:
- Базовый диод состоит из материалов р-типа и n-типа, которые считаются проводящими пластинами.
- Область обеднения считается диэлектриком.
- Область истощения является важным фактором при определении значения емкости. Следовательно, эта концепция аналогична концепции конденсатора.
- Увеличение или уменьшение в области обеднения пропорционально приложенному обратному напряжению.
- Если приложенное обратное напряжение увеличивается, область обеднения увеличивается, и наоборот.
- В зависимости от приложенных значений обратного напряжения емкость может варьироваться.
Здесь варакторный диод сконструирован таким образом, что накапливает заряды, а не проводит.
Проводимость возможна за счет подачи проходящих напряжений. Из-за применения прямого значения потенциала область истощения уменьшается. По этой причине варакторные диоды предпочитают работать с обратными напряжениями. Полученное изменение значения емкости измеряется в пикофарадах (пФ).
Перейдите по этой ссылке для получения информации о MCQ варакторов
Характеристики варакторных диодов
Характеристики варакторных диодов:
- Увеличение обратного напряжения увеличивает значение емкости.
- Функциональность диода зависит от режима обратного смещения диода.
- Имеются компактные размеры.
- Шум, создаваемый диодами этого типа, меньше по сравнению с другими диодами.
- Эти диоды считаются более надежными.
Применения
Варакторные диоды применяются :
- Эти диоды используются в радиочастотных конструкциях, где емкость может изменяться с помощью приложения или регулируемого напряжения.
- Эти диоды предпочтительнее использовать в таких приложениях, как тюнеры в фильтрах FR. Они размещаются перед фильтрами для определения частоты, полученной из входящих сигналов.
- Генератор, управляемый напряжением, использует такие схемы варакторных диодов.
- Эти диоды используются в схемах параметрического усиления.
Из-за используемой в нем методики изменения емкости, основанной на определенных значениях напряжения, наиболее применимыми областями таких диодов являются тюнеры и частотные модуляторы. Даже при генерации гармоник предпочтительны эти диоды с переменной емкостью.
Узнайте больше о MCQ на диодах Шоттки и MCQ на туннельных диодах.
Часто задаваемые вопросы
1). Для чего нужен варакторный диод?
Концепция изменения емкости за счет применения переменного диапазона напряжений доказала свою эффективность в радиочастотной промышленности. Эти диоды используются в тюнерах.
2).
Для чего используется диод Шоттки?
Диод Шоттки предназначен для работы с низким напряжением. Он также известен как барьерный диод. Эти типы диодов используются в смесителях, радиочастотных устройствах, а также в выпрямителях с точки зрения силовых приложений.
3). В чем разница между диодом Шоттки и обычным диодом?
Обычный диод — это не что иное, как базовая версия диода P-N. Разница между обычным диодом и диодом Шоттки заключается в формировании перехода. В обычном диоде переход образован полупроводником P и N типов. Переход выполнен на N-типе и на металлической пластине для диодов Шоттки.
4). Какой диод используется в выпрямителе?
В зависимости от типа выпрямления выбираются диоды. Для выпрямления мощности используются диоды Шоттки или силовые диоды. Тогда как для выпрямления сигналов используются сигнальный диод или диоды с малым точечным контактом.
5). Почему PIN-диод быстрее?
PIN-диод состоит из полупроводниковых материалов p-типа и n-типа, при этом между ними зажата область, называемая собственной.
Хотя он ниже с точки зрения выпрямления, наличие этой области делает работу PIN-диода более быстрой.
Варакторный диод полезен для приложений реального времени в цифровой электронике. В зависимости от свойств перехода эти варакторные диоды классифицируются. Кроме того, многие специальные типы диодов используются для различных применений. Можете ли вы сказать для настройки схемы, какой тип диода используется?
Варакторный диод | Конструкция, работа, характеристики, применение
Краткое описание
Введение
Диод представляет собой электронный компонент, который имеет две клеммы и пропускает ток только в одном направлении. Из двух выводов один вывод подключен к полупроводниковому материалу p-типа, а другой вывод — к полупроводнику n-типа.
В зависимости от физической структуры и типа полупроводниковых материалов, используемых в конструкции диода, возможно множество различных вариантов диода. Они варьируются от диодов с оптическими свойствами, таких как фотодиоды, светодиоды, лазерные диоды и т.
д., до таких, как выпрямительные, стабилитроны и туннельные диоды.
В этой статье мы рассмотрим один из таких вариантов диода — Варакторный диод.
Подробную информацию о различных типах диодов см. на этой странице: Различные типы диодов
Что такое варакторный диод?
Варакторный диод (также известный под названиями варикап-диод, варакторный диод, подстроечный диод) представляет собой диод с p-n переходом, который действует как переменный конденсатор при изменении напряжения обратного смещения на его клеммах.
Другими словами, это специально разработанный полупроводниковый диод, емкость которого на полупроводниковом переходе p-n изменяется при изменении напряжения, приложенного к его клеммам. И поскольку это диод, который может вести себя как переменный конденсатор, его коротко называют варакторным диодом.
В основном используется для замены переменных конденсаторов, которые необходимо механически использовать для изменения значения емкости.
Одним из преимуществ является то, что емкость варакторного диода можно изменить, просто изменив напряжение на его выводах. Мы узнаем больше о его работе в следующих разделах.
Символическое представление
Ряд условных обозначений используется для обозначения варакторного диода на принципиальных схемах. Из них три самых популярных представления показаны ниже:
Среди этих трех символов варакторного диода чаще используется второй символ. Это комбинация символов диода с p-n переходом и конденсатора. В символе треугольник указывает на наличие диодного компонента, а две линии на вершине треугольника указывают на параллельные пластины конденсатора.
Конструкция
Варакторный диод состоит из слоев полупроводников p-типа и n-типа, соединенных между собой, причем слой n-типа прикреплен к меза-структуре (столообразной). Позолоченный молибденовый стержень соединен со слоем n-типа через меза-структуру и действует как вывод катода.
Слой p-типа соединен с другим позолоченным молибденовым стержнем (который действует как анод) через золотую проволоку.
За исключением части молибденовых шпилек, вся конструкция заключена в керамический слой.
Слои p-типа и n-типа варакторного диода состоят из кремния или арсенида галлия в зависимости от типа применения, для которого он используется. Для низкочастотных применений используется кремний, а для высокочастотных — арсенид галлия.
Для обычных диодов полупроводниковые слои p-типа и n-типа однородно легированы примесями для улучшения проводимости. Но в случае варакторных диодов концентрация примесей вблизи pn-перехода очень мала и постепенно увеличивается по мере продвижения к другой поверхности слоя.
Работа
Чтобы узнать, как работает варакторный диод, необходимо сначала понять принцип работы переменного конденсатора:
Конденсатор состоит из двух проводящих поверхностей, разделенных непроводящей диэлектрической средой (см. рисунок ниже). Когда одна из поверхностей подключена к положительному напряжению, а другая к отрицательному напряжению, из-за притяжения между положительными и отрицательными носителями на одной поверхности накапливается положительный заряд, а на другой отрицательный.
Количество накопленного заряда называется емкостью. Если мы уменьшим зазор между двумя поверхностями, сила притяжения между положительными и отрицательными носителями заряда увеличится, и поэтому на поверхности будет накапливаться больше заряда, т. е. увеличится емкость.
При удалении поверхностей друг от друга происходит обратное, т.е. емкость уменьшается. Переменный конденсатор имеет механическое устройство, позволяющее изменять зазор между поверхностями, что эффективно изменяет емкость.
Теперь вернемся к работе диода с p-n переходом. Слой p-типа диода заполнен положительными носителями заряда, а слой n-типа — отрицательными. Вблизи поверхности контакта между двумя слоями положительные и отрицательные заряды диффундируют и нейтрализуют друг друга. Эта область известна как область истощения.
Дальнейшая диффузия носителей заряда через обедненный слой невозможна, если не приложено внешнее напряжение. Таким образом, обедненный слой действует как изолятор.
Ширина обедненного слоя зависит от напряжения, приложенного к слоям p- и n-типа. Если приложено прямое напряжение смещения, т.е. к слою p-типа приложено положительное напряжение, а к слою n-типа отрицательное напряжение, то ширина обеднения уменьшается, а выше определенного напряжения оно полностью исчезает.
Если приложено обратное смещение, то есть положительное напряжение к слою n-типа и отрицательное напряжение к слою p-типа, ширина обедненного слоя увеличивается. На приведенной ниже диаграмме показаны два сценария:
Проще говоря, ширину области обеднения можно изменить до нужного значения, просто регулируя напряжение на полупроводниковых слоях p&n-типа. Итак, вы, должно быть, заметили сходство между конденсатором и диодом при обратном смещении. Обедненный слой в диоде похож на диэлектрическую среду в конденсаторе, которая действует как изолятор и препятствует перетеканию носителей заряда с одной стороны на другую.
Таким образом, когда на диод подается обратное напряжение смещения, соответствующие носители заряда накапливаются по обе стороны от обедненного слоя.
Это заставляет диод приобретать некоторую емкость, и это называется емкостью перехода.
Варакторный диод специально разработан для улучшения этой способности накапливать носители заряда при обратном смещении, что позволяет ему действовать как конденсатор.
Емкость перехода обратно пропорциональна ширине обедненного слоя, т.е. чем меньше ширина обедненного слоя, тем больше емкость, и наоборот. Поэтому, если нам нужно увеличить емкость варакторного диода, нужно уменьшить обратное напряжение смещения. Это приводит к уменьшению ширины обедненного слоя, что приводит к увеличению емкости. Точно так же увеличение напряжения обратного смещения должно уменьшить емкость.
Способность получать разные значения емкости простым изменением приложенного напряжения является самым большим преимуществом варакторного диода по сравнению с обычным переменным конденсатором.
Характеристики
На приведенном ниже графике показана связь между величиной напряжения обратного смещения слоев p-типа и n-типа варакторного диода и величиной емкости перехода.
Вы можете заметить, что емкость перехода варикапа обратно пропорциональна напряжению обратного смещения. Также из-за различий в способах добавления примесей в слои p-типа и n-типа емкость варактора всегда выше, чем у обычного диода.
Точная величина емкости перехода варакторного диода рассчитывается относительно емкости в условиях нулевого смещения (C J ), напряжения прямого смещения (напряжение, необходимое для полного удаления обедненного слоя, В B ) и фактическое напряжение обратного смещения (V R ), приложенное к переходу. Он определяется по формуле:
C J = C 0 (1 + V R /V B ) -n
‘n’ является константой и изменяется в зависимости от способа п и слои n-типа легированы. Его значение находится в пределах (0,5 – 0,33). Значение напряжения обратного смещения (В R ) должно быть ниже напряжения пробоя, выше которого значение емкости C J равно нулю из-за пробоя области обеднения и свободного потока дырок и электронов.
