Варикапи

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ  МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ  ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ  ТЕХНОЛОГІЙ

КАФЕДРА РАДІОТЕХНІКИ

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсова робота

з дисципліни:”Компонентна база радіоелектронної апаратури”

 

на  тему: ” Варикапи”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прийняв: “___“__________2012 р.

Виконав: студент “___“____________2012 р.

 

Черкаси 2012

 

Зміст

 

Вступ   ……………………………………………………………………

1. Призначення та  принцип дії варикапа..…………………..…..
2. Класифікація, умовні позначення та маркування варікапа ............
3. Основні параметри, характеристики та еквівалентна схема варикапа
4. Схема включення …………………………
5. Конструкція варикапів ……………………………
6. Застосування варикапів в РЕА
7. Розрахунок ……………………………………………………

Висновок …………………………………………………………………..

Список використаної літератури ………………………………………...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

 

     Діод (рос. диод, англ. diode, нім. die Diode) — електронний прилад з двома електродами, що пропускає електричний струм лише в одному напрямі. Застосовується у радіотехніці, електроніці, енергетиці та в інших галузях, переважно для випрямляння змінного електричного струму, детектування, перетворення та помноження частоти, а також для переключення електричних кіл.

Назву діод запропонував у 1919 році Вільям Генрі Еклз, утворивши  її від грецької частки ді-, яка означає два та грец. ὅδος — шлях. Найчастіше зустрічаються напівпровідникові діоди, проте лампові діоди теж мають свою сферу застосування.

     Напівпровіднико́вий діо́д — це напівпровідниковий прилад з одним випрямним електричним переходом і двома зовнішніми виводами, використовує ректифікаційні властивості p-n переходу, тобто пропускання струму лише в одному напрямку.

    У ламповому діоді струм може проходити лише від аноду до катоду, завдяки конструкції лампи. Лампові діоди широко використовувалися в радіотехніці впродовж XX-го століття, але в сучасну епоху за ними збереглися лише окремі галузі застосування.

Діоди виготовляють з  кремню, германію, селену, та інших напівпровідників.

Діоди широко використовуються в електротехніці, електроніці, та радіотехніці. З різною метою, в залежності від їх характеристик.

     Властивість діода — проводити струм лише в одному напрямку, застосовують у випрямлячах — для перетворення змінного струму на постійний.

Діоди використовуються при демодуляції амплітудно-модульованого радіосигналу, тобто виділення низькочастотної складової з високочастотного сигналу.

Разом із іншими електронними компонентами, діоди можуть використовуватися  для створення AND і OR логічних елементів.

   

    Варікап — напівпровідниковий елемент, в якому використовується властивість електронно-діркового переходу змінювати свою ємність в залежності від прикладеної напруги. Призначений для використання в якості керованої напругою електричної ємності. Працює при зворотній напрузі, підключеній до p-n-переходу. Ємність змінюється в широких межах.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1.Призначення, та принцип дії варікапа

     Варікап (VD) – напівпровідниковий прилад, у якому за рахунок прикладання напруги виникає ємність, наприклад кремнієвий КВ109А. Варікапи призначені для застосування в якості елементів з електрично керованою ємністю.

Вони використовуються для переналаштування частоти коливальних контурів та фільтрів, підсилення та генерація НВЧ сигналів чи автопідстройки частот. Варікапи зручні тим, що при подачі на них постійної напруги зміщення, можливо дистанційно і практично безінерційно міняти їх ємність.

Принцип дії:

Принцип дії варикапа базується на властивостях барєрної ємності р-n перходу, яка виникає при зворотному включені p-n переходу.

Електронно-дірковий перехід (p-n перехід) – це деякий перехідний шар що виникає при контакті напівпровідникових областей з різними типами електричної провідності, р-n перехід створюється в одному кристалі шляхом лигування донорами і акцепторами.

Дірки з р області  де їх концентрація більша, рухаються  в область n в область з меншою концентрацією. Ідучи в іншу область носії залишають не скомпенсований заряд зворотного знаку і таким чином на границі областей утворюється 2 шари, протилежних за знаком, що і називається p-n переходом. Заряди в переходы утворюють електричне поле, тобто між областями встановлюється різниця потенціалів яка називається контактною.

Електричне поле перешкоджає дифузії основних носіїв в сосідню область, між р і n областями встановився потенційний бар’єр. Для того що б основні носії заряду змогли подолати перехід, вони повинні мати відповідну енергію. Для не основних носіїв заряду створене поле буде прискорюючим тобто сприяти переходові не основних носіїв в сосідню область.

Рис. 1. p-n перехід

 Зовнішнє електричне поле направлене на зустріч внутрішньому полю p-n переходу що приводить до зменшення потенційного бар’єру. Основні носії зарядів легко можуть проходити через p-n перехід. Вважається шо при прямому включенні p-n перехід відкритий.

Рис. 2. Пряме включення p-n переходу

При включенні p - n переходу у зворотному напрямі зовнішня зворотна напруга Uобр створює електричне поле, співпадаюче по напряму з власним, що призводить до зростання потенційного бар'єру на величину Uобр. Зростання потенційного бар'єру зменшує дифузійні струми основних носіїв. Через перехід проходитиме результуючий струм, що визначуваний в основному струмом дрейфу неосновних носіїв, називається зворотним струмом p,-n переходу. При зворотному включені вважається що p-n перехід закритий.

Рис. 3. Зворотне включення p-n переходу

При відсутності зовнішньої напруги в p-n-переході існують потенційний бар'єр і внутрішнє електричне поле. Якщо до діода прикласти зворотну напругу, то висота цього потенційного бар'єру збільшиться. Зовнішнє зворотна напруга відштовхує електрони в глиб n-області, в результаті чого відбувається розширення збідненої області p-n-переходу, яку можна представити як найпростіший плоский конденсатор, в якому обкладками служать кордону області. У такому випадку, відповідно до формули для ємності плоского конденсатора, зі зростанням відстані між обкладками (викликаної зростанням значення зворотної напруги) ємність

p-n-переходу буде зменшуватися. Це зменшення обмежено лише товщиною бази, далі якої перехід розширюватися не може. Після досягнення цього мінімуму з ростом зворотної напруги місткість не змінюється.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Класифікація, умовні позначення та маркування варикапа

 

Класифікація:

Напівпровідникові діоди класифікуються:

1)По призначенню: випрямні, високочастотні і надвисокочастотні(ВЧ- і СВЧ- діоди), імпульсні, напівпровідникові стабілітрони(опорні діоди), тунельні, обернені, варикапы та ін.;

2)  по конструктивно - технологічним  особливостям: площинні і точкові;

3)  за типом початкового матеріалу  : германієві, кремнієві, арсенидо - галієві та ін.

 

У точковому діоді використовується пластинка германію або кремнію з електропровідністю n - типу(рис.4.), завтовшки 0,1.0,6мм і площею 0,5.1,5 мм2; з пластинкою стикається загострена проволочка (голка) з нанесеною на неї домішкою. При цьому з голки в основний напівпровідник дифундують домішки, які створюють область з іншим типом електропровідності. Таким чином, біля голки утворюється мініатюрний р- n - перехід півсферичної форми.

 

Для виготовлення германієвих точкових діодів до пластинки германію приварюють проволочку з вольфраму, покритого індієм. Індій є для германію акцептором. Отримана область германію р- типу є емітерною.

 

Для виготовлення кремнієвих точкових діодів використовується кремній n - типу і проволчка, покрита алюмінієм, який служить акцептором для кремнію.

Рис. 4. Облаштування точкових діодів

Площинні діоди виготовляються методами сплаву (вплавлення) або дифузії(рис. 4).

 

В пластинку германия n- типа вплавляют при температуре  около 500°С каплю индия (рис. 5. а) которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р- типа. Область с электропроводностью р- типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят германий р- типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n- типа.

 

Дифузійний метод виготовлення р- n - переходу грунтований на тому, що атоми домішки дифундують в основний напівпровідник(рис. 5 б). Для створення р- шару використовують дифузію акцепторного елементу(бору або алюмінію для кремнію, індію для германію) через поверхню початкового матеріалу.

Рис. 5. конструкція площинних діодів, виготовлених сплавним(а) і дифузійним методом(б)

 

Варікап - це напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність ємності від величини зворотної  напруги і який призначений для  застосування в якості елементу з  електрично керованою ємністю.

Напівпровідниковим матеріалом для виготовлення варикапів є кремній.

 

     Варікапи поділяються на 2 типи: підлаштовувальні та помножуючі.

      Підлаштовувальні варикапи - використовуються для зміни резонансної частоти коливальних систем, наприклад, в системах автоматичного налаштування, в керованих фільтрах і т.д.. Оскільки дуже часто для збільшення перекриття по місткості в схемах застосовується послідовне зустрічне включення варікапів, широке поширення отримали варікапні зборки. По суті це два або більше ваоікара з ідентичними параметрами, зібрані в одному корпусі і такі, що мають один загальний висновок катода або анода(іноді вони можуть бути і електрично не пов'язані). Такі збірки можуть включатися як для управління одним контуром, так і для декількох не пов'язаних контурів, забезпечуючи ідентичність управління в них.

Помножуючі  варікапи (варактори) - застосовуються в генераторах, змішувачах, частотних перетворювачах і т.д. для множення частоти сигналу. При цьому використовується нелінійність вольт-фарадной характеристики(при поданні на варікап гармонійної напруги через нього протікає струм, в якому проявляються вищі гармоніки через те, що місткість залежить від напруги). Особливістю варакторів є те, що підвищена нелінійність вольт-фарадной характеристики є основною вимогою, що визначає характеристики пристроїв на їх основі. Чим вище така нелінійність, тим вище амплітуда відповідних гармонік в струмі, що проходить через варактор, а ця основна умова підвищення ККД частотного перетворення.

 

Умовне позначення:

Рис. 6. Умовне позначення варікапа

 

 

Маркування:

Для маркування напівпроводникових діодів (варікапів) використовується буквено-цифрова система умовних позначень згідно ОСТ 11.336.919-81.

 

     Перший  елемент – літера чи цифра, характеризує використовуваний матеріал: Г(1) – германій (Ge); К(2) – кремній (Si); А(3) – галій (Ga) і його з'єднання; И(4) – індий In і його з'єднання. Другий елемент – буква, характеризує тип діода: Д – випрямні; В – варікап; И – тунельні; С – стабілітрон і стабістор; Л –світо діод; Ф- фотодіоди. Третій елемент – цифра, характеризує призначення діода. Наприклад, для діодів групи Д: 1 – випрямні малопотужні (струм до 300 мкА); 2 – випрямні середньої потужності (струм до 10 А); 3 – діоди великої потужності (струм вище 10 А); 4–9 – діоди імпульсні з різним часом відновлення. Четвертий елемент (2–3 цифри) – номер розробки (для стабілітрона – напруга стабілізації в десятих частинах вольта). Пятий елемент – буква, характеризує варіант по параметрах.

 

3.Основні параметри, характеристики та еквівалентна схема варикапа

Основні параметри:

1. Номінальна ємність – ємність, яку вимірюють між виводами варикапа за заданого зворотного зміщення при температурі навколишнього середовища 20°С. Залежно від призначення варикапи виготовляють з ємністю від одиниць до сотень пікофарад. Здебільшого, номінальну ємність вимірюють при зворотній напрузі 4 В.
2. Коефіцієнт перекривання за ємністю – це відношення номінальної ємності варикапа, яку вимірюють при мінімальній зворотній напрузі, до мінімальної ємності, яку вимірюють при максимально допустимій зворотній напрузі. Значення дорівнює декільком одиницям.
3. Добротність – це відношення реактивного опору варикапа до активного (опір втрат). Добротність можна знайти з еквівалентної схеми варикапа.
4. Максимально припустима напруга – максимальне миттєве значення змінної напруги, що забезпечує необхідну надійність при довготривалій роботі.
5. Максимально припустима потужність – максимальне значення потужності, що розсіюється на варикапі, при якому забезпечена необхідна надійність при довготривалій роботі.
6. Температурний коефіцієнт ємності – відношення відносної зміни ємності при заданій напрузі до абсолютної зміни температури навколишнього середовища.