Варікапи, їх принцип дії та характеристики

Вступ

Фундамент для виникнення і розвитку електроніки було закладено роботами фізиків у XVIII – ХІХ ст. Перші у світі дослідження електричних розрядів у повітрі були здійснені Бенджаменом Франкліном у 1747-1753 роках. Також він дав назви: “батарея”, “конденсатор”, “провідник”, “заряд”, “розряд”, довів електричну природу блискавки, створив теорію статичної електрики, винайшов блискавковідвід, вперше встановлений у 1760 році у місті Філадельфія. Важливою подією було відкриття електричної дуги академіком В. В. Петровим у 1802 році. Одним із найперших електронних приладів можна вважати фоторезистор із селену, винайдений у США У. Смітом в 1873 році. Тоді ж А. Н. Лодигін винайшов перший у світі електровакуумний прилад - лампу розжарювання. Електрична дуга була вперше використана для освітлення П. Н. Яблочковим у 1876 році. У 1874 році німецький вчений К. Ф. Браун відкрив ефект односторонньої провідності контакту метал – напівпровідник (селен). Майкл Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції, Генріх Герц у 1886 році відкрив електромагнітні хвилі. У 1887 році також Герц відкрив фотоелектричний ефект, а дослідження цього явища, проводив з 1888 року А. Г. Столєтов (він відкрив основні закони фотоефекту), це поклало початок розвитку фотоелектронних приладів. Термоелектронну емісію (одну з основ електронно-вакуумних приладів) було відкрито у 1884 році Едісоном, але сам він, нічого не знаючи про електрон, який був відкритий Дж. Томсоном лише у 1897 року, не зміг пояснити це явище. Детальні дослідження термоелектронної емісії провів у 1901 році Річардсон. У 1895 року уперше здійснено дальній безпровідний зв’язок А. С. Поповим, а роком пізніше – італійцем Дж. Марконі (щоправда, суперечка за першість у цьому продовжується до цього часу). Використання електронних приладів у радіотехніці розпочалося з того, що у 1904 році англійський вчений Дж. А. Флемінг застосував двоелектродну лампу - діод із розжареним катодом, раніше винайдену Едісоном (але він не знайшов для неї практичного застосування), для випрямлення (детектування) високочастотних коливань у радіоприймачі. Важливим винаходом було створення у 1905 році Хелом у США газонаповненого діода – газотрона. Поряд з вакуумними електронними лампами у Нижньогородській радіолабораторії під керівництвом В. П. Вологдіна були створені потужні ртутні випрямлячі. У 1922 році співробітник Нижньогородської радіолабораторії Лосєв відкрив можливість генерування і підсилення електричних коливань за допомогою напівпровідникового детектора. На жаль, це відкриття не отримало тоді належного розвитку. Перші успішні експерименти із телевізійними передавальними електронними трубками (до речі, за глибокої несхвали прибічників електромеханічного телебачення) проводив Б. П. Грабовський – син відомого українського письменника П. А. Грабовського: у 1928 р. в Ташкенті вперше передано й прийнято рухоме зображення за допомогою повністю електронних засобів. У 30-х роках подібними експериментами з передавальними трубками також займались А. П. Константинов, С. І. Катаєв, П. В. Шмаров, П. В. Тимофєєв. До речі, телевізор, виконаний на основі електромеханічної системи передачі зображення, широкому загалу вперше продемонстрував шотландський винахідник Джон Берд 27 січня 1926 року. Перший селеновий випрямляч виготовив німецький вчений Прессер у 1932 році. Першу електронну обчислювальну машину (на лампах - тріодах) було створено у США у 1946 році. Справжня революція в електроніці розпочалася у 1948 році – після винайдення американськими вченими, співробітниками Bell Laboratories Д. Бардіним, У. Браттейном і У. Шеклі транзистора. Досить звернути увагу на те, що після недовгочасного періоду панування пристроїв на дискретних транзисторах вже у 1965 році Відлар запропонував операційний підсилювач в інтегральному виконанні, а у 1971 році з’явився перший мікропроцесор (фірма Intel, США). Поєднання інтегральних аналогових та цифрових пристроїв у сукупності з комп’ютерними технологіями (на основі мікропроцесорів) відкрило подальші найширші перспективи у розвитку і застосуванні електроніки. Створення силового діоду (10 А, 200 В) у 1954 році, винахід у 1956 році тиристора, а далі СІТ-та IGBT-транзисторів у середині 70-х років.

1. Варікапи, їх принцип дії та характеристики

Варикапами називають  напівпровідникові діоди, у яких використовується бар'єрна ємність  замкнутого р-п-прехода, що залежить від величини прикладеної до діода зворотної напруги.

У кристал кремнію  з однієї його сторони вплавляють у вакуумі алюмінієвий стовпчик  для отримання р - п -перехода, а  з іншого боку - сплав золото - сурма  для отримання омічного контакту. Ця структура вплавляється у вакуумі в коваровий позолочений кристалотримач. До алюмінієвого стовпчика прикріплений внутрішній вивод. З'єднання кристалотримача з балоном і виводом здійснюється сплавом у водні.

 Для використання властивостей варикапа до нього необхідно підвести зворотну напругу. Як відомо, за відсутності зовнішньої напруги між областями р і п існує контактна різниця потенціалів (потенційний бар'єр) і внутрішнє електричне поле. Якщо до діода прикласти зворотну напругу,  то висота потенційного бар'єру між областями р і n зросте на величину прикладеної напруги, зросте і напруженість електричного поля в р - n-переході. Зовнішня зворотна напруга відштовхує електрони глибше всередину області n, а дірки - всередину області р. В результаті відбувається розширення області р - n-переходу і тим більше, чим вище напруга.  Таким чином, зміна зворотної напруги, прикладеної до р, - n-переходу, приводить до зміни бар'єрній ємності між областями р і n.  Ширина р - n-переходу залежить від величини прикладеної до нього напруги, отже, бар'єрна ємність залежить від напруги: при зростанні замикаючої напруги ширина р - n-переходу збільшується, а його бар'єрна ємність зменшується .  Основною характеристикою варикапа є залежність його ємності від величини зворотної напруги (вольт-фарадна характеристика). Залежно від призначення величина номінальної ємності варикапів може бути в межах від декількох пікофарад до сотень пікофарад. Залежність ємності варикапа від прикладеної напруги визначається технологією виготовлення р - п-переходу.

1.2 Тунельний пробій в діодах