ОЕ 2014

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5

ДОСЛІДЖЕННЯ ВАРИКАПІВ

Мета роботи: вивчення фізичних основ роботи варикапів та експе-

риментальні дослідження характеристик і параметрів варикапів.

Рекомендована література: [1, 4, 5, 9].

Короткі теоретичні відомості

В режимі зворотної напруги р-п-перехід являє собою ємність, яка обумовлена нерухомим об’ємним зарядом на межі розділення p та n об-

ластей, величина якої пропорційна площі р-п-переходу, концентрації носіїв заряду та діелектричній проникності матеріалу напівпровідника. Цю єм-

ність називають бар’єрною Cб . Величина бар’єрної ємності діода може бути визначена з формули:

S Cб d ,

де – відносна діелектрична проникність напівпровідника; S – площа р-п-

переходу; d – ширина р-п-переходу.

При прямій напрузі р-п-перехід, крім бар’єрної ємності, має так зва-

ну дифузійну ємність Cдиф. Ця ємність обумовлена накопиченням рухо-

мих носіїв заряду в n і p областях.

Cдиф Qдиф /Uпр,

де Qдиф – величина заряду, накопичена в області р-п-переходу; Uпр – зна-

чення прямої напруги, якій відповідає Qдиф.

41

Дифузійна ємність істотно не впливає на роботу р-п-переходу, тому що вона завжди зашунтована малим прямим опором переходу. Найбільше практичне значення має бар’єрна ємність.

Варикап – це напівпровідниковий діод, принцип дії якого базується на залежності бар’єрної ємності р-п-переходу від зовнішньої напруги. Мо-

жна сказати, що варикап – це конденсатор змінної ємності, керований змі-

ною зворотної напруги.

Рис. 5.1. Умовне графічне позначення варикапа

Основною характеристикою варикапа є залежність його ємності від напруги (вольт-фарадна характеристика), типовий вигляд якої зобра-

жено на рис. 5.2. Залежність ємності варикапа від прикладеної напруги ви-

значається технологією виготовлення р-п-переходу.

Рис. 5.2. Залежність бар’єрної ємності р-п-переходу від напруги.

Основні параметри варикапів

1.Номінальна ємність Cв – ємність, яку вимірюють між виво-

дами варикапа за заданого зворотного зміщення при температурі навколи-

шнього середовища 20 °С. Залежно від призначення варикапи виготовля-

42

ють з ємністю від одиниць до сотень пікофарад. Здебільшого, номінальну

ємність вимірюють при зворотній напрузі 4 В.

2.Коефіцієнт перекривання за ємністю KC – це відношення

номінальної ємності варикапа, яку вимірюють при мінімальній зворотній напрузі, до мінімальної ємності, яку вимірюють при максимально допус-

тимій зворотній напрузі. Значення KC дорівнює декільком одиницям.

3.Добротність Q – це відношення реактивного опору варикапа

до активного (опір втрат). Добротність можна знайти з еквівалентної схеми варикапа (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Еквівалентна схема варикапа

(Cв – ємність варикапа; rб – опір бази;

rзв – опір зворотно зміщеного переходу варикапа)

Врахувавши, щоrзв rб , отримаємо: - на низьких частотах QНЧ Cвrзв;

4.Максимально припустима напруга Umax – максимальне мит-

тєве значення змінної напруги, що забезпечує необхідну надійність при довготривалій роботі.

5. Температурний коефіцієнт ємності – відношення відносної зміни ємності при заданій напрузі до абсолютної зміни температури на-

вколишнього середовища.

6.Максимально припустима потужність Pmax – максимальне

43

значення потужності, що розсіюється на варикапі, при якому забезпечуєть-

ся необхідна надійність при довготривалій роботі.

Контрольні запитання

1.Чим обумовлена наявність бар’єрної ємності р-п-переходу?

2.Чим обумовлена наявність дифузійної ємності р-п-переходу?

3.Що називають варикапом?

4.Що є основною характеристикою варикапа? Який вигляд вона має?

5.Назвіть основні параметри варикапів.

6.Що таке номінальна ємність варикапа?

7.Що таке добротність варикапа?

8.Що таке коефіцієнт перекривання за ємністю варикапа?

9.Назвіть сфери використання варикапів.

Підготовка до виконання лабораторної роботи

1. Вивчити теоретичні відомості і дати відповіді на контрольні запи-

тання.

Порядок виконання роботи

1.Ознайомтеся з інструкцією з експлуатації вимірювача ємностей переходів транзисторів малої потужності Л2-28.

2.Перед початком вимірювань відкалібруйте прилад Л2-28. Ро-

бити це необхідно в такій послідовності:

-ввімкнути тумблер «СЕТЬ» і прогріти прилад протягом 15 хвилин;

-натиснути кнопку «ИЗМЕРЕНИЕ Ісв0, ІR» і ручкою «УСТ. НУЛЯ» встано-

вити стрілку індикатора приладу на нуль;

44

- натиснути кнопку «КАЛИБР І» і потенціометром «КАЛИБР І» встанови-

ти стрілку відлікового приладу в кінець шкали (цифра 10);

-повторити дві попередні операції послідовності калібрування;

-натиснути кнопку «КОНТР U». Потенціометром «УСТ U» встановити стрілку відлікового приладу в кінець шкали (цифра 10);

-натиснути кнопку «КАЛИБР С» і за допомогою ручки «КАЛИБР С»

встановити стрілку відлікового приладу в кінець шкали (цифра 10).

За перші дві години роботи можливе порушення калібрування, тому необхідно проводити періодичний контроль (через 15 хвилин), і в разі не-

обхідності, підстроювати калібрування та положення нуля.

3.Виміряйте залежність бар’єрної ємності варикапа від напруги.

Для цього встановіть перемикач полярності «p-n-p – n-p-n» в положення

«n-p-n», встановіть варикап у вимірювач ємності, закрийте кришку блоку-

вання.

4.Встановіть за допомогою перемикача «1μА» струм 0,1 мкА, ді-

апазон вимірювання ємності 30 пФ, відкалібруйте прилад згідно п. 2.

5. Натисніть кнопку «ИЗМЕРЕНИЕ СС, Сtot», подайте необхідне зміщення на перехід (напруги 0–25 В). Отримані значення ємності занесіть в табл. 5.1.

Таблиця 5.1. Залежність бар’єрної ємності варикапа від напруги

Cб , пФ

6.Виміряйте залежність дифузійної ємності варикапа від напру-

ги. Для цього встановіть перемикач полярності «p-n-p – n-p-n» в положен-

ня «p-n-p». Встановіть за допомогою перемикача діапазон вимірювання ємності 100 пФ, відкалібруйте прилад згідно п.2. Подайте необхідне змі-

45

щення на перехід (напруги 0–0,5 В). Отримані значення ємності занесіть до

табл. 5.2.

Таблиця 5.2. Залежність дифузійної ємності варикапа від напруги

7.За даними табл. 5.1, 5.2 побудуйте залежність ємності варикапа від напруги.

8.Розрахуйте коефіцієнт перекривання за ємністю досліджувано-

го варикапа.

9.Зробіть висновки по роботі, оформіть звіт.

Вимоги до звіту

Звіт (протокол) з лабораторної роботи повинен містити: мету роботи,

відповіді на контрольні питання, порядок виконання роботи, таблиці з отриманими результатами вимірювань, графік залежності ємності варикапа від напруги, розрахунок коефіцієнта перекриття, висновки по роботі.

46

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1.Диоды: Справочник / О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев,

С.Л. Пожидаев. – М.: Радио и связь, 1990. – 336 с.

2.Гершунский Б.С. Основы электроники. – К.: Высшая школа, 1977. –

344с.

3.Жеребцов И.П. Основы злектроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1989. –

352с.

4.Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учеб.

для вузов. – 9-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2009. – 480 с.

5.Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов.

– 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1990. – 263 с.

6.Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитро-

ны, тиристоры: Справочник / Под ред. А.В. Голомедова. – М.: Радио и

связь, 1988. – 528 с.

7.Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа. – 1991. –

622с.

8.Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. – М.:

Сов. радио, 1970. – 592 с.

9.Берман Л. С. Введение в физику варикапов. – М.: Наука, 1968. – 218

с.

10.Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений / Под ред. Н.Н. Горюнова и Ю.Р. Носова. – М.: Сов. радио, 1968. – 304 с.

11.Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые прибо-

ры. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.

12. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – М.: Энергия, 1977. – 672 с.

47

13.Полупроводниковые приборы: транзисторы: Справочник / Под ред.

Н.Н. Горюнова. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 904 с.

14.Транзисторы: Справочник / О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кон-

дратьев, С.Л. Пожидаев. – М.: Радио и связь, 1989. – 272 с.

15.Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник /

Под ред. Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981. – 656 с.

48