Варикап

Варика́п (от англ. vari(able) — «переменный», и cap(acitance) — «ёмкость») — электронный прибор, полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения.

Эта ёмкость изменяется от единиц до сотен пикофарад (у отдельных варикапов практически в 3-4 раза) при изменении обратного напряжения на несколько десятков вольт.
Варикапы обладают высокой добротностью (малыми потерями электрической энергии), малым температурным коэффициентом ёмкости, независимостью от частоты практически во всём диапазоне радиочастот, стабильностью параметров во времени.

Применяются варикапы в схемах перестройки частоты колебательного контура в частотно-избирательных цепях, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

История разработки

Варикап был разработан дочерней компанией Pacific Semiconductor корпорации Ramo Wooldridge, получившей патент на устройство в июне 1961 года под названием «Чувствительный к напряжению полупроводниковый конденсатор». В 1969 году американской корпорацией Philips была подана заявка на патент «Полупроводниковый прибор с двумя варикапами», которая была удовлетворена и опубликована в июне 1971 года.

Принцип работы варикапа

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

Типичная вольт-фарадная характеристика варикапа

При отсутствии внешнего приложенного к электродам напряжения в p-n-переходе существуют потенциальный барьер и внутреннее электрическое поле, возникновение которого обусловлено контактной разностью потенциалов между полупроводниками p-типа и n-типа. Нормальный режим работы варикапа — с обратным смещением. Если к диоду приложить обратное напряжение (то есть катод должен иметь положительный потенциал относительно анода), то высота этого потенциального барьера увеличится. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь n-области, в результате чего происходит расширение обеднённой области p-n-перехода, то есть слоя полупроводника, лишенного носителей заряда и по сути являющегося диэлектриком. При увеличении обратного напряжения толщина обеднённого слоя увеличивается. Всё это можно представить в виде плоского конденсатора с переменной толщиной слоя диэлектрика, в котором обкладками служат необеднённые зоны полупроводника.

В соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом расстояния между обкладками (вызванного ростом значения обратного напряжения) ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться:

$C={\tfrac {\varepsilon S}{d}}$,

где $\varepsilon$ — диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

$S$ — площадь пластин;

$d$ — расстояние между пластинами.

Это уменьшение ограничено толщиной базы, далее которой толщина обеднённого слоя увеличиваться не может; по достижении этого минимума ёмкости с ростом обратного напряжения ёмкость не изменяется. Другой ограничивающий фактор управляемого снижения ёмкости — электрический лавинный пробой обеднённого слоя.

Так как при изменении обратного напряжения толщина диэлектрика (обеднённого слоя) изменяется в достаточно широких пределах, для характеристики изменения ёмкости варикапа от приложенного напряжения применяют динамическую или дифференциальную ёмкость $C_{d}$ — ёмкость для малого изменения напряжения на приборе (малосигнальный параметр). Динамическая ёмкость определяется как:

$C_{d}(U)={dQ \over dU},$

где $dQ$ — приращение электрического заряда конденсатора;

$dU$ — приращение напряжения.

Дифференциальная ёмкость согласно ГОСТ Р 52002-2003 — это динамическая ёмкость для очень медленного изменения напряжения.

Зависимость динамической ёмкости от напряжения называется вольт-фарадной характеристикой и для варикапа приближённо описывается функцией:

$C_{d}(U)={\frac {C_{0}}{(1+U/U_{0})^{n}}},$

где $C_{0}$ — динамическая ёмкость прибора при нулевом напряжении;

$U$ — приложенное обратное напряжение;

$U_{0}$ — некоторая константа, имеющая размерность напряжения и приближённо равная прямому напряжению p-n-перехода при небольших прямых токах. Для кремниевого прибора это около $0,55$ В;

$n$ — показатель, характеризующий величину градиента концентрации легирующей примеси в p-n-переходе; для переходов с плавным, например, линейным изменением концентрации $n\approx 0,33$, для резких переходов $n\approx 0,5$, для переходов со ступенчатым легированием $n$ может достигать $2$.

Конструкция

Обычно варикапы изготавливаются по планарно-эпитаксиальной технологии, позволяющей оптимизировать электрические параметры прибора. На пластине сильнолегированного низкоомного полупроводника (обычно с n-типом проводимости, обозначается n⁺) выращивается высокоомная плёнка низколегированного полупроводника n-типа. Посредством 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.

Основные электрические и эксплуатационные параметры

К основным параметрам варикапов относятся следующие:

• Общая ёмкость — ёмкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении.
• Коэффициент перекрытия по ёмкости — отношение ёмкостей при двух заданных значениях обратного напряжения на варикапе.
• Добротность — отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданном значении ёмкости или обратного напряжения.
• Постоянный обратный ток — постоянный ток (ток утечки), протекающий через варикап при заданном обратном напряжении.
• Максимально допустимое постоянное обратное напряжение.
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность.
• Температурные коэффициенты ёмкости и добротности — отношение относительного изменения ёмкости (добротности) варикапа к вызвавшему его абсолютному изменению температуры. В общем случае сами эти коэффициенты зависят от значения обратного напряжения, приложенного к варикапу.
• Предельная частота варикапа — значение частоты, на которой реактивная составляющая проводимости варикапа становится равной активной составляющей. Измерение предельной частоты производится при конкретных заданных обратном напряжении и температуре, которые, в свою очередь, зависят от типа варикапа.

Модели варикапов

Варикапная сборка КВС111

В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных радиоэлектронных устройствах:

• параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов (варакторы);
• умножительные диоды, предназначенные для умножения и преобразования частоты в широком диапазоне частот.

Иногда в схемах умножителей частоты используется и диффузионная ёмкость варикапов.

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

Применение

Варикапы в качестве управляемых ёмкостей применяются для перестройки частоты генераторов, управляемых напряжением в синтезаторах частоты и генераторах качающейся частоты, настройки частотноизбирательных цепей с управлением напряжением, в системах автоматической подстройки частоты различных радиоприёмных устройств, в параметрических усилителях, для умножения частоты в умножителях частоты, в управляемых напряжением фазовращателях и других.

Следует заметить, что полезный сигнал точно так же воздействует на ёмкость варикапа, как и управляющее напряжение. Это приводит к нелинейности радиоэлектронного узла, использующего варикап, и ухудшению его характеристик. Поэтому широкое распространение получили сборки из двух варикапов, включенных встречно-последовательно. Переменное напряжение прикладывается к варикапам в противоположных направлениях, что приводит к одновременному увеличению ёмкости одного варикапа и уменьшению ёмкости другого. Общая ёмкость контура перестаёт зависеть от полезного сигнала и остаётся неизменной, поэтому нелинейных эффектов не наблюдается.

Варикапы нельзя использовать для настройки резонансных цепей с высокими ВЧ-напряжениями, поскольку их максимальное обратное напряжение ограничено. Его величина составляет около 30 В или меньше в зависимости от типа варикапа. Кроме того, необходимо учитывать зависимость свойств полупроводников от температуры.

Схемы высокочастотных цепей с использованием варикапов

Ниже приведено описание нескольких вариантов $L$$C$-цепей с использованием варикапов в качестве подстроечных ёмкостей.
$L$$C$-цепи используются либо для генерации сигналов заданной частоты, либо для выделения сигнала определённой частоты из более сложного сигнала (полосовые фильтры).

Использование варикапов в качестве управляемых ёмкостей в высокочастотных цепях

Схема с ёмкостной развязкой в цепи катушки

Напряжение смещения не должно попадать в цепь ВЧ-катушки, поскольку омическое сопротивление катушки очень мало. Для этого последовательно с катушкой ставят развязывающий конденсатор ёмкостью примерно в 100 раз превышающей максимальную ёмкость варикапа, и подают напряжение в узел между катодом варикапа и развязывающим конденсатором, как показано в верхней левой схеме на рисунке.

Схема с варикапом в качестве ёмкостной развязки

Второй способ (нижняя левая схема) предполагает использование одного из двух варикапов из сборки в качестве развязывающей ёмкости. В этом случае блокирующий конденсатор не требуется, но общая ёмкость уменьшается вдвое.

Схема с разделением точек заземления высокочастотных и низкочастотных цепей

Третья схема (вверху справа) так же использует два последовательно соединенных варикапа, но имеет отдельные точки заземления цепей постоянного и переменного тока. Точка заземления постоянного тока отображается в виде традиционного символа заземления, а точка заземления переменного тока — в виде открытого треугольника.

Литература

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.

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

Одним из источников этой статьи является статья в википроекте «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Варикап», находящаяся по адресам: «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Варикап» «https://znanierussia.ru/articles/Варикап». Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?»