9.5. Варикапы

Варикапами называют полупроводниковые диоды, у которых ис­пользуется барьерная емкость запертого р — п-прехода, зависящая от величины приложенного к диоду обратного напряжения. Кон­струкция варикапа показана на рис. 9.12. В кристалл кремния 5 с одной его стороны вплавлен в вакууме алюминиевый столбик 4 для получения р'— «-перехода, а с другой стороны — сплав золото — сурьма для получения омического контакта 6. Эта структура вплав­

ляется в вакууме в коваровый золоченый кристаллодержатель 7, К алюминиевому столбику прикреплен внутренний вывод 2, Соеди­нение кристаллодержателя с баллоном 3 и выводом 1 осуществля­ется сплавлением в водороде.

Для использования свойств варикапа к нему необходимо подвести обратное напря­жение (рис. 9,13),

a i-

+	/. F1 / ^ / + / ^
	-У/			X
	Iу d
			і- ч
		L Q	ff	я

Рис, 9.14. Действие обратно­го напряжения на р — «-пе­реход:

Рис. 9.12.

Конструкция

варикапа.

Р

-f о

Рис. 9.13. Схема включения варикапа.

— о

Как известно, при отсутствии внешнего напряжения между областями р и п суще­ствует контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) и внутреннее элек­трическое поле. Если к диоду приложить обратное напря­жение Ц_обр (рис, 9.14, а), то высота потенциального барье­ра между областями р и п возрастет на величину прило­женного напряжения (рис. 9,14, б), возрастет и напря-

женность электрического поля в р — «-пе­реходе. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны глубже внутрь об­ласти п, а дырки — внутрь области р. В расширение области р — /г-перехода н тем больше, чем выше напря жение и_оСр (и'_обр > {/обр, > й на рис. 9.14, б н в).

Таким образом, изменение обратного напряжения, приложенного к р — л-переходу, приводит к изменению барьерной емкости между областями рил. Величина барьерной емкости диода может быть определена из формулы

4 red

⁸⁵ (9.3)

^с& =

где е — относительная диэлектрическая проницаемость полупровод­ника; 5 — площадь р — л-перехода; й — ширина р — л-перехода.

а — двойной слой зарядов в р — «-переходу; 6 — изменение потенциала ср вдоль перехода; е — изменение плотности объем­ного заряда р.

результате происходит

Формула (9.3) аналогична формуле для емкости плоского конден­сатора. Однако, несмотря на сходство этих формул, между барьер­ной емкостью и емкостью конденсатора имеется принципиальное раз­личие. В обычном конденсаторе расстояние между его пластинами, а следовательно, и его емкость не зависят от напряжения, приложенного

к конденсатору. Ширина же р — л-перехода зависит от величины приложенного к нему напряжения, следовательно, барьерная емкость зависит от напряжения: при возрастании запирающего напряжения ширина р — «-перехода увеличивается, а его барьерная емкость умень­шается .

Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от величииы обратного напряжения (вольт-фарадпая харак­теристика). Типичная характеристика С_б = [ (£/₀бр) показана на рис. 9.15. В зависимости от назначения величина номинальной ем­кости варикапов может быть в пределах от нескольких пикофарад

-о +

Рис. 9.16. Схемы электронной настройки колеба­тельных контуров.

СВи

^ио5р

Рис. 9.15. Зависимость емкости варикапа от вели­чины обратного напряже­ния.

до сотен пикофарад. Зависимость емкости варикапа от приложенного напряжения определяется технологией изготовления р — /г-перехода.

Параметры варикапов:

Номинальная емкость Сном — емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения.

Максимальная емкость С_гаах — емкость варикапа при заданном минимальном напряжении смещения.

Минимальная емкость С_тш — емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения.

Коэффициент перекрытия Кс — отношение максимальной ем­кости диода к минимальной.

Добротность <2 — отношение реактивного сопротивления вари­капа к полному сопротивлению потерь, измеренное на номинальной частоте при температуре 20° С.

Максимально допустимое напряжение (^тах '— максимальное мгновенное значение переменного напряжения, обеспечивающее задан­ную надежность при длительной работе.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) — отношение от­носительного изменения емкости при заданном напряжении к вызвав­шему его абсолютному изменению температуры окружающей среды.

Максимально допустимая мощность Р_т3х — максимальное зна­чение мощности, рассеиваемой на варикапе, при котором обеспечи­вается заданная надежность при длительной работе.

Основное применение варикапа — электронная настройка ко­лебательных контуров. На рис. 9.16, а приведена схема включения

нарикапа в колебательный контур. Контур образован индуктивностью I и емкостью варикапа С_в. Разделительный конденсатор С_р служит для того, чтобы индуктивность Ь не закорачивала варикап по постоян­ному току. Емкость конденсатора С_р должна быть в несколько де­сятков раз больше емкости варикапа.

Управляющее постоянное напряжение £/= подается на варикап с потенциометра Я 2 через высокоомный резистор Перестройка контура осуществляется перемещением движка потенциометра Я2.

Данная схема имеет существенный недостаток — напряжение вы­сокой частоты влияет на варикап, изменяя его емкость. Это ведет к расстройке контура. Включение варикапов по схеме, показанной на рис. 9.16, б, позволяет значительно уменьшить расстройку контура при действии переменного напряжения. Здесь варикапы включены по высокой частоте последовательно навстречу друг другу. Поътому при любом изменении напряжения на контуре емкость одного варика­па увеличивается, а другого уменьшается. По постоянному напряжению варикапы включены параллельно.

0 6,3

Рис. 9.17. Кон­струкция диода СВЧ:

1 — керамическая втулка; 2 — кон­такт п я пружина; 3 — полупровод­ник; 4 — герме­тизирующая за­ливка.

9.6. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ДИОДЫ СВЧ

Диоды этого типа находят широкое применение в схемах сверх­высокочастотных параметрических усилителен и генераторов. Для изготовления диодов СВЧ используются полупроводники с малым

удельным сопротивлением, благодаря чему обеспе­чивается быстрая рекомбинация неосновных носителей заряда и малая емкость р —- я-перехода. По своей структуре СВЧ диоды являются точечными, причем контакт осуществляется простым прижимом заострен­ной металлической пружины к низкоомному полупро­воднику без последующей формовки. Конструкция СВЧ диода показана на рис. 9.17.

Основными техническими показателями парамет­рических диодов являются:

Емкость р — п~перехода С_д.

Сопротивление потерь — суммарное омическое сопротивление полупроводника, контактных соедине­ний внутренних и внешних выводов диода.

Постоянная времени т — произведение емкости р — я-перехода диода на сопротивление потерь (т = С_д От величины этого произведения зави­сит предельная частота, иа которой диод можно при­менять для усиления сигналов.

Пробивное напряжение и_про6 — обратное напря­жение на диоде, при котором обратный ток через диод начинает нарастать лавинообразно.

Обратный ток /_обр — ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном напряжении смещения Ц_си.

Емкость корпуса диода С_к.

Индуктивность диода 1

Допустимые перегрузки В непрерывном (Ртах) и импульсном

(Римптах) рвЖИМЯХ рабОТЫ.

Рассмотрим сущность процесса параметрического возбуждения и усиления коле­баний.

Следует отметить, что еще Фарадей в 1831 г. исследовал явление параметриче­ского возбуждения колебаний в механических системах, т. е. возникновение колеба­ний за счет периодического изменения параметра системы при отсутствии внеш­ней периодической силы, действующей на систему. В 1883 г. Рзлей опубликовал

результаты исследования параметрического воз­буждения колебаний в камертоне. В 1920—1930 гг. параметрическое возбуждение и усиление электри­ческих колебаний в нашей стране изучали академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси. В 1954 г. советский ученый Б. М. Вул предложил исполь­зовать для параметрического усиления зависимость емкости р — п-перехода полупроводникового диода от подводимого напряжения.

Разработка параметрических усилителей нача­лась в 1957—1958 гг.

Явление параметрического возбуждения колеба­ний было открыто более 100 лет назад, однако дос­таточно полное теоретическое и экспериментальное исследование этого явления осуществлено в послед­ние годы.

Известно, что для поддержания незатухающих колебаний в любой колебательной системе необхо­димо все время добавлять извне некоторое коли­чество энергии для компенсации потерь в этой сис­теме. Так, раскачивание качелей может быть осу­ществлено за счет энергии, сообщаемой качелям во время толчков, совпадающих по частоте и направ­лению с собственными колебаниями качелей.

При возбуждении колебаний в колебательном контуре энергия вводится в него от источника пе­ременного тока резонансной частоты.

Очевидно, что как в случае механических ко­лебаний качелей, так и в случае электрических колебаний в контуре ввод энергии в систему осуществляется непосредственно от источника (прямым путем).

Однако существует и другой (косвенный) способ ввода энергии в колебательную систему — путем изменения одного или нескольких «энергоемких» параметров самой системы. В колебательном контуре такими параметрами являются индуктивность и емкость.

На рис. 9.18, а покаэан колебательный контур, состоящий из индуктивности L и конденсатора С, емкость которого может меняться в результате перемещения одной из его пластин. Сопротивление R характеризует активные потери в контуре. Допустим, что к контуру приложено небольшое переменное синусоидальное напря­жение с частотой /, Тогда напряжение и заряд на пластинах конденсатора будут изме­няться по синусоидальному закону (рис. 9.18, б). Будем раздвигать пластины кон­денсатора в момент, когда напряжение на нем максимально, и сближать их, когда это напряжение равно нулю.

Кривая, характеризующая механическое перемещение пластин конденсатора, показана на рис. 9.18, в: стрелка, направленная вверх, соответствует раздвиганию, а стрелка, направленная вниз, — сближению пластин конденсатора. Так как напря­жение па конденсаторе в течение одного периода дважды достигает максимума, механическое перемещение пластин должно происходить с частотой, равной 2/.

Рис; 9.18. Параметрическое возбуждение колебаний в контуре путем изменения его емкости.

Раздвигание пластин конденсатора связано с затратами определенной механи­ческой энергии на преодоление сил притяжения между пластинами, вызываемых зарядами противоположных знаков. Сближение пластин происходит о момент, когда напряжение на конденсаторе равно нулю. Поэтому никакой затраты энергии при этом не происходит.

В соответствии с законом сохранения энергии механическая энергия, затра­чиваемая на раздвигание пластин, преобразуется в энергию электрического поля в конденсаторе, что приводит к повышению напряжения между его пластинами (рис. 9,18, г).

Известно, что между емкостью конденсатора С, зарядом на пластинах д и напря­жением между пластинами (У существует зависимость

Кроме того, емкость конденсатора

С = (94)

а

где е — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; 5 — площадь пластин; & — расстояние между пластинами.

Допустим, что напряжение на пластинах конденсатора до раздвигания было равно Ці, а после раздвигания пластин на расстояние Ай стало равным Тогда получим

^ "с ⁼ 1Г' І5 '

К,1 _ ,/ и - - ^ , ^М - ^ - и

т. е.

Таким образом, относительное изменение напряжения на конденсаторе равно относительному изменению расстояния между его пластинами.

Амплитуда напряжения на конденсаторе будет увеличиваться до тех пор, пока потери в контуре не станут равны вносимой в контур дополнительной энергии, пос- ле чего амплитуда колебаний стабилизируется.

В практических схемах параметрических усилителей емкость изменяется не ме­ханически, а электрическим путем. Для этого в качестве емкостей используются полу­проводниковые параметрические диоды, к р — я-переходам которых прикладывают синусоидальное напряжение от специального вспомогательного генератора, называе­мого генератором накачки.

Соотношения между фазами напряжений генератора накачки и входного сигна­ла, необходимые для оптимальной передачи энергии в контур, показаны на рис. 9.18, д (напряжение генератора накачки изображено пунктиром).

В настоящее время разработаны параметрические диоды из германия, кремния, арсснида галлия и антимонида индия, допускающие усиление электрических коле­баний на частотах более 100 ГГц.

Необходимо ^отмстить, что на явлении параметрического возбуждения электри­ческих колебаний в контуре основана работа одного из наиболее перспективных переключающих элементов, получившего название параметрон. Сущность работы лараметрона заключается в том, что возникшие в результате параметрического воз­буждения установившиеся колебания в контуре параметрона могут находиться в фазах, отличающихся друг от друга на 180°.

Установление того или иного режима определяется фазой колебаний, подавае­мых на вход параметрона. Приписывая одному режиму значение «1», а другому «0», можно записывать и хранить в параметроне информацию, закодированную в двоич­ной системе счисления, а также использовать параметрон в качестве сверхбыстродей­ствующего переключающего устройства.

ристики прибора увеличение напряжения уменьшает ток (и наоборот). Все известные приборы могут усиливать и генерировать электриче­ские сигналы лишь при подаче иа них энергии от внешних источников (аккумуляторов, батарей и т. д.). У таких устройств к. п. д. всегда меньше единицы, а отрицательное сопротивление в них выполняет функцию автоматического (в генераторах) нли управляющего внешним сигналом (в усилителях) клапана, регулирующего поступление элек­трической энергии от источника питания в нагрузку.

Важное преимущество туннельного диода перед обычными полу­проводниковыми приборами заключается в его очень высокой рабочей частоте. Это объясняется тем, что туннельный переход электронов происходит практически мгновенно — за время порядка 10™¹³ с. Из­готовляемые в настоящее время туннельные диоды могут работать на частотах до 10^й Гц.

Вследствие того, что при туннельном переходе электроны не рас­ходуют своей энергии, туннельный диод может работать при очень низкой температуре, при которой обычные полупроводниковые при­боры перестают работать. Туннельный диод может работать также и при более высокой температуре, чем обычные полупроводниковые приборы. Одним из преимуществ туннельных диодов является очень малая потребляемая мощность (не более 1% мощности, потребляемой обычным полупроводниковым прибором).

Основными параметрами туннельных диодов являются:

Пиковый ток /тах — прямой ток в точке максимума вольт-амперной характеристики (рис. 9.20, б).

Ток впадины 7_min — прямой ток в точке минимума вольт-амперной характеристики.

Напряжение пика U/_maK — прямое напряжение, соответствующее пиковому току.

Напряжение впадины Ui_min — прямое напряжение, соответствую­щее минимальному току. ¹

Напряжение раствора U_p — прямое напряжение на второй вос­ходящей ветви при токе, равном пиковому.

Емкость диода С_д — суммарная емкость перехода и корпуса дио­да при заданном напряжении смещения.

По назначению туннельные диоды делятся на следующие основные группы: усилительные, генераторные, переключающие.

161

Работа усилителей н генераторов на туннельных диодах рассмат­ривается в гл. 15 и 16. Здесь рассмотрим лишь работу туннельного дио­да в переключающей схеме. Основной у большинства переключающих схем на туннельных диодах является цепь, представляющая собой последовательное соединение туннельного диода с другими элемен­тами. Пример такой цепи показан на рис. 9.21, а. До подачи пере­менного входного сигнала под действием внешнего напряжения Е в цепи диода течет постоянный ток /₀, а к диоду прикладывается на­пряжение U_X~E — IqR\. При подаче переменного сигнала в зави­симости от его полярности ток в цепи диода будет либо уменьшаться на величину г, либо увеличиваться на ту же величину. Притоке /₀ —i

6 7—1294

П-ч освещении фотодиода появляется дополнительное число элек­тронов H дырок, вследствие чего увеличивается переход неосновных носителей заряда: электронов из р-области в я-область и дырок в обратном направлении. Это приводит к увеличению тока в цепи. При правильно подобранном сопротивлении на­грузки R_n и напряжении источника питания Е этот ток будет зависеть только от освещен­ности прибора, а падение напряжения на со­противлении можно рассматривать как по­лезный сигнал, воздействующий на другие элементы схемы.

Следует отметить, что фотодиод можно включать в схемы как с внешним источником питания, так и без него. Режим работы фото­диода с внешним источником питания назы­вают фотодиодным, а без внешнего источни­ка — вентильным.

Jo Е + -

Рис, 9.23. Схема включе­ния фотодиода.

В вентильном режиме в фотодиоде под действием светового по­тока возникает э. д. е., поэтому ои не нуждается в постороннем ис­точнике напряжения,

а 5

Рис. 9.24. Характеристики фотодиода;

а вольт-амперные; б — световая; в — спектральные (/ кремниевый фотодиод).

Рассмотрим основные характеристики фотодиодов. Вольт-амперная характеристика /_д = / (С/_д) при Ф = const оп­ределяет зависимость тока фотодиода от напряжения на нем при

	2%Г iji
	)\

0,4

1,2 Х,мкм

германиевый фотодиэд; 2

постоянной величине светового потока (рис. 9.24, а). При полном затемнении (Ф = 0) через фотодиод протекает темновой ток /_тм, равный сумме обратного тока насыщения р — «-перехода и тока утеч­ки. С ростом светового потока /_д увеличивается. Характерной осо­бенностью рабочей области вольт-амперных характеристик является практически полная независимость тока фотодиода от приложенного напряжения. Такой режим наступает при обратных напряжениях на диоде порядка 1 В. Так как темновой ток мал, то отношение тока при освещении к темновому току велико, что весьма важно при индикации

освещения. Если обратное напряжение превысит некоторое допусти­мое значение, то в р — я-переходе возникает эффект лавинообразного размножения носителей заряда, который может привести к выходу фотодиода из строя.

Световая характеристика изображает зависимость тока фото­диода от величины светового потока при постоянном напряжении на фотодиоде: /_д = / (Ф) при £/_д = const. В широком диапазоне из­менений светового потока световая характеристика фотодиода ока­зывается линейной (рис. 9.24, б).

Спектральная характеристика показывает зависимость спектраль­ной чувствительности от длины волны падающего на фотодиод света. Спектральные характеристики германиевых и кремниевых фотоди­одов показаны на рис. 9.24, в.

Параметры фотодиодов:

Интегральная чувствительность К — отношение фототока диода к интенсивности падающего светового потока от стандартного источ­ника (вольфрамовая лампа накаливания с цветовой температурой нити 2854 К):

К - . (9.6)

Рабочее напряжение U_p — напряжение, прикладываемое к при­бору в фотодиодном режиме.

Темновой ток /тм — ток, протекающий в цепи диода при рабочем напряжении и отсутствии освещения.

Долговечность — минимальный срок службы при нормальных условиях эксплуатации.

Фотодиоды, как и приемники лучистой энергии других типов (фо­тоэлементы, фоторезисторы, фотоумножители), находят широкое при­менение. Они могут использоваться в фотометрии, фотоколориметрии, для контроля источников света, измерения интенсивности освещения, прозрачности среды, регистрации и счета ядерных частиц, автомати­ческого регулирования и контроля температуры и других параметров, изменение которых сопровождается изменением оптических свойств вещества или среды. Широкое применение фотодиоды находят в ус­тройствах ввода и вывода современных ЭВМ.