2. Назначение, устройство, характеристики, параметры варикапов и светодиодов

Варикап – это полупроводниковый диод, применяемый в качестве электрического конденсатора, управляемого напряжением. В варикапе используется зависимость емкости перехода от обратного напряжения (рис. 4).

Схема включения варикапа показана на рис.5. Обратное напряжение на варикап подается через разделительный высокоомный резистор, предотвращающий шунтирование емкости варикапа малым внутренним сопротивлением источника питания. Изменяя величину обратного напряжения, можно регулировать емкость варикапа.

Параллельно варикапу включают колебательный LC-контур, настройку которого производят с помощью варикапа.

Для уменьшения влияния переменного напряжения колебательного контура на емкость варикапа часто применяют встречно-последовательное включение идентичных варикапов (рис.6).

Переменное напряжение поступает на варикапы в противофазе, поэтому вызываемые этим напряжением изменения емкости варикапов взаимно компенсируются, а результирующая емкость варикапов остается неизменной.

Качество варикапа определяют следующие основные параметры:

– номинальная емкость С_ном, определяемая при номинальном обратном напряжении (обычно 2 – 5 В);

– коэффициент изменения емкости К_с = С_макс /С_мин, представляющий собой отношение максимальной емкости варикапа (обычно при номинальном напряжении) к минимальной емкости (при максимальном рабочем напряжении);

– добротность Q, определяемая потерями энергии в варикапе;

– частотный диапазон (f_пред).

Емкость варикапа зависит от площади перехода, концентрации примеси в базе диода и величины обратного напряжения и практически может лежать в пределах от единиц пикофарад до десятых долей микрофарады.

Крутизна вольт-фарадной характеристики варикапа (рис. 4) С = f(U_обр) определяется как

.

Она имеет максимальное значение при U_обр = 0 и с повышением обратного напряжения уменьшается.

Добротностью варикапа называют отношение реактивной мощности к мощности потерь .

При прохождении через варикап переменного тока часть мощности поглощается в токоведущих элементах, и часть мощности поглощается в самом электронно-дырочном переходе. Таким образом мощность потерь имеет две составляющие: потери в токоведущих элементах и потери в р-n-переходе. На низких частотах потери в токоведущих элементах малы, поэтому добротность определяется потерями в р-n-переходе. На высоких частотах, наоборот, добротность определяется потерями в токоведущих элементах. Для повышения добротности используют полупроводники с широкой запрещенной зоной (АsGa), имеющие низкую концентрацию неосновных носителей заряда, т.е. малый обратный ток. Практически добротность варикапов может быть получена не хуже 100.

Рабочий диапазон частот варикапа определяется значениями минимально допустимой добротности. Максимальная рабочая частота определяется выражением

.

Влияние температуры на емкость варикапов относительно невелико. Значительно сильнее рост температуры влияет на добротность варикапа, что обусловлено экспоненциальным ростом обратного тока при увеличении температуры.

Предельная рабочая температура для германиевых варикапов составляет 50-60 ⁰С, для арсенид-галлиевых варикапов она достигает 150 ⁰С.

Благодаря возможности изменения емкости с помощью напряжения варикапы применяют для настройки высокочастотных колебательных контуров, управления частотой генераторов гармонических колебаний, осуществления частотной модуляции и т.д. Промышленностью выпускаются для этой цели большой ассортимент варикапов. Существует также разновидность варикапов, специально предназначенных для параметрического усиления колебаний и преобразования несущей частоты. Эти приборы называют варакторами или параметрическими диодами.

Светодиоды – это полупроводниковые диоды, испускающие свет при протекании через них прямого тока. Свечение возникает при рекомбинации носителей, сопровождающееся выделением квантов света.

Явление излучения света полупроводниковыми p-n структурами в результате инжекции называют инжекционной электролюминесценцией.

Свет в p-n структуре возникает как в самом переходе, так и в областях, прилегающих к нему.

Цвет (длина волны излучения) определяется разностью энергий между уровнями, на которых находились электрон и дырка до рекомбинации.

Ввиду того, что глаз человека чувствителен к излучению с длиной волны _макс  0,7мкм, разность энергий между уровнями должна быть не менее

.

Поэтому для создания излучательных переходов используют обычно полупроводники с широкой запрещенной зоной (карбид кремния, арсенид галия, фосфид галия и др.).

Например, на основе карбида кремния создают диоды красно-оранжевого и желтого свечения. Этот материал обладает большой механической прочностью, прозрачен во всем диапазоне видимого света, что устраняет трудности отвода излучаемого света. Однако процесс выращивания кристаллов этого материала очень сложный и дорогой, да и размер кристалла удается получить порядка 3x3 мм.

Наиболее перспективными являются твердые растворы тройных полупроводниковых соединений: арсенид галия - фосфид галия - фосфид индия, дающие излучение желтого и желто-зеленого свечения высокой яркости. Яркость свечения линейно зависит от плотности тока.

Светодиоды используются в качестве индикаторов для отображения различной информации.

Конструкция светодиода (рис. 7) предусматривает свободный выход светового потока из базовой р-области, являющейся источником излучения. Для улучшения восприятия светового сигнала часто используют линзы. Разновидностью светодиодов является цветосигнальный индикатор с плавноизменяющимся цветом свечения. Он имеет две дырочные области из фосфида галлия, легированные различными акцепторными примесями (рис. 8). Область, легированная азотом, дает зеленое свечение, а область, легированная цинком, – красное свечение. Каждый изр-п-переходов имеет отдельный вывод, что позволяет получать либо красное, либо зеленое свечение, а при одновременном включении обоих переходов, регулируя величину тока через переходы, можно получить изменяющийся цвет свечения от зелено-желтого до желто-красного.

Маркировка стабилитронов и варикапов аналогична рассмотренной на прошлой лекции маркировке выпрямительных диодов. Отличие состоит в том, что для стабилитронов вторым элементом маркировки будет буква С с цифровым индексом, а для варикапов – В.

Таким образом, варикапы работают при обратном смещении и используются как конденсаторы, управляемые напряжением. Применяются для настройки высокочастотных колебательных контуров. Светодиоды используются в индикаторах для отображения различной информации.