7. ВАРИКАПЫ

7.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Варикапом называется полупроводниковый нелинейный управляемый конденсатор, сконструированный таким образом, чтобы потери в. диапазоне рабочих частот были минимальными.

Изменяя напряжение на варикапе, подключенном к коле бательному 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 Сдиф). 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 [I, 51.

Таким образом, существует три вида нелинейной управляемой полупроводниковой емкости: две из них связаны с наличием р-П 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 ТК,Е 2-10- граЗ-. Барьерная емкость р-п перехода лишена указанных недостатков и поэтому широко используется во многих радиотехнических устройствах. Основные области применения барьерной емкости р-п перехода следующие:

- усиление и генерация СВЧ сигналов (так называемые параметрические диоды);

- умгюжение частоты в широком диапазоне частот, включая СВЧ (умножительные Диоды, работающие иногда и в области диффузионной емкости);

- электронная перестройка часто,ты колебательных контуров в диапазонах КВ, УКВ, ДЦВ (собственно варикапы);

- в системах автоматики (варикапы с большими величинами номинальной емкости, не менее 1000 пф).

Рассмотрим принцип действия варикапов. Величина объемного заряда Qo (см. § 1.4) зависит от приложенной к переходу разности потенциалов U. Это свидетельствует о том, что переход имеет некоторую емкость

dQo Ж

Зависимость емкости р-п перехода от придолсенного напряжения рассмотрена в работах Б. М. Вула и других авторов [6-11]. Во всех перечисленных работах рассматривается одномерная модель р-п перехода, и зависимость С = f{U) в общем виде получается путем решения уравнения Пуассона

dW{x) 4п?

dx eeq

где р -р. плотность объемного заряда, которую можно записать следующим образом:

р = -д(Л/д-Л/„+р-п).

После ряда упращений и решения уравнения Пуассона цолуч-ается выражение для барьерной емкости р-п перехода

где S - площадь р-п перехода; d - ширина области объемного заряда (ширина р-п перехода).

Таким образом, барьерная емкость р-п перехода равна емкости плоского конденсатора с "площадью пластин, рав-

ной площади р-п перехода, и с расстоянием между пластинами, равным ширине области объемного заряда.

Для сплавных р-п переходов (т. е. при ступенчатом изменении концентрации примесей)

=!/Н = 0-8/-7+Ш, . (7.1)

Фи = - 1П

я III

Правые равенства в формулах (7.1) и (7.2) верны для варикапов типа Д901.

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

,j/jlE±. . (7.3)

Се, = S

СМ. также (1.8), (1.19).

Величины, входящие в формулы (7.1) и (7.2), имеют следующие единицы измерения и размерности: d, мкм; U, в; С, пф; N, см-; а, см~\ S, мм.

Для большинства реальных р-п переходов справедливо соотношение

С = S(ty 4. фк)-", (7.4)

где А - постоянный для рассматриваемого случая коэффициент, а п лежит в пределах > п .

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 «-области. В этом случае можно считать, что объемный заряд проникает лишь в п-область.