Материал: Изучение свойств варикапа

Изучение свойств варикапа

Курсовая работа

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ВАРИКАПА

Содержание

1. Полупроводниковый диод

. р-n-переход полупроводникового диода

. Характеристики р-n-перехода полупроводникового диода

. p-n-переход без внешнего источника напряжения

. p-n-переход при внешнем напряжении

. Вольтамперные характеристики p-n перехода

. Физическая природа емкости полупроводникового диода (варикапа)

. Зависимость барьерной емкости от постоянного напряжения

. Рабочий интервал напряжений варикапов. Коэффициент перекрытия. Коэффициент нелинейности

. Метод измерения емкости варикапов

. Рабочий диапазон частот варикапа. Добротность

Литература

Введение

Варикап - это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, который может быть использован как конденсатор с электрически управляемой емкостью. Варикапы представляют собою полупроводниковые диоды, у которых используется нелинейная зависимость барьерной емкости запертого p-n-перехода от величины приложенного к диоду обратного напряжения.

Варикапы могут работать на высоких и сверхвысоких частотах, долговечны и надежны, стабильны во времени, потребляют мало энергии, имеют достаточно высокую добротность, слабую зависимость емкости от температуры, схемы с варикапами просты.

Варикапы применяются для параметрического усиления слабых сигналов, для электронной настройки колебательных контуров и фильтров, для частотной модуляции сигналов в автогенераторах, в схемах автоматического поиска радиоприемником передающей станции, в счетных устройствах и во многих других схемах. Для уменьшения потерь энергии и для увеличения КПД диодов используют полупроводники с малыми удельными сопротивлениями: германий, кремний и арсенида галлия. К варикапам относятся диоды типа: КВ102А, КВ102Д, 2В110А, КВ110Е, Д901, Д902 и другие.

Цели курсовой работы:

)        Изучение принципа работы и устройства варикапа.

)        Приобретение навыка сборки электронных схем на макетах при изучении характеристик варикапа.

)        Овладения навыками измерения вольтамперных, переходных, полевых и резонансных характеристик варикапа.

)        Приобретение навыка работы с измерительными электронными приборами: осциллографом и мультиметрами.

1. Полупроводниковый диод

полупроводниковый диод варикап напряжение

Варикап является частным случаем полупроводникового диода. Поэтому рассмотрим сначала устройство, структуру и краткую теорию полупроводникового диода.

Полупроводниковый диод - это схемный элемент с одним р-n переходом, имеющий два омических вывода. Основой полупроводникового диода является электронно-дырочный переход или р-п переход, создаваемый в объеме полупроводника. Он представляет собою тонкий переходный слой между двумя областями с дырочной (р) и электронной (п) проводимостями одного и того же монокристалла полупроводника. Толщина р-п перехода составляет обычно несколько микрон или нескольких десятых долей микрона и зависит от параметров полупроводника и от способа создания перехода.

Один из наиболее распространенных способов изготовления полупроводниковых диодов следующий. На поверхности пластины кристалла кремния (Si) (рисунок 1 а) с электронной проводимостью (n-типа) площадью 2-4 мм2 и толщиною в несколько десятых долей миллиметра расплавляют маленький кусочек индия (In). Индий играет роль донора: его атомы диффундируют на небольшую глубину в кристалл пластины и образуют тонкую область с дырочной проводимостью (р-типа). Между двумя областями полупроводника с различными типами проводимостей возникает p-n-переход. Одна из областей р-n структуры с проводимостью p типа, называется эмиттером. Эмиттер имеет бóльшую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой. На базу - пластину кристалла с проводимостью п-типа напыляют металлический слой, к которому припаивается вывод. Второй вывод аналогично припаивается к эмиттеру. После этого диод помещается в корпус. Диоды, полученные подобным образом называют сплавными или плоскостными.

а)  б)  в)

Рисунок 1 - Структура полупроводникового диода, полученного методом сплавления (а), схемное обозначение полупроводникового диода (б) и схемное обозначение варикапа (в).

Схемное обозначение полупроводникового диода показано на рисунке 1 б. В основе символа положена стрелка, указывающая направление прямого тока через диод. В символе варикапа (рисунке 1 в) помимо символа диода, просматриваются две параллельные пластины - символ конденсатора, напоминающий о емкости диода.

. р-n-переход полупроводникового диода

Емкостные свойства плоскостного диода обусловлены наличием внутреннего электрического поля в р-п переходе. Рассмотрим причины образования этого поля.

На рисунке 2 показано пространственное распределение дырок - •, электронов - O, ионов акцепторов -  и ионов доноров - в двух изолированных кристаллах полупроводника разного типа проводимости (p- и n-типа) вдоль кристаллов по координате х.

Рисунок 2 - Внизу - два примесных кристалла (слева) p- и (справа) n-типа. Вверху: распределение концентраций зарядов по координате х этих изолированных кристаллов. Здесь: Na- концентрация ионов акцепторов; Nд-концентрация ионов доноров; рр- концентрация дырок в кристалле p-типа; nр- концентрация электронов в кристалле p-типа; рn- концентрация дырок в кристалле n-типа; nn- концентрация электронов в кристалле n-типа.

До соприкосновения кристаллов дырки • и отрицательные ионы примеси  (акцепторы) в p-области распределены равномерно. Кроме того, в p-области имеется небольшое количество равномерно распределенных свободных электронов. Концентрации акцепторов Na и дырок pp в p-области практически одинаковы и много больше концентрации электронов np. Аналогично в кристалле n типа электроны O и положительно заряженные ионы примеси (доноры)  распределены равномерно, как и небольшое количество дырок. Концентрации доноров Nд и электронов nn практически одинаковы и много больше концентрации дырок pn.

Рассмотрим процессы, протекающие при контакте двух полупроводников с различными типами проводимости (рисунок 3).

Рисунок 3 - Распределение концентраций заряда в идеализированном p-n-переходе. Здесь: Na - концентрация ионов акцепторов; Nд-концентрация ионов доноров; рр- концентрация дырок в p-области кристалла; nр- концентрация электронов в p-области кристалла; рn- концентрация дырок в n-области кристалла; потенциалов; Е - напряженность электрического поля; lp-n - ширина p-n-перехода.

На границе p- и n- областей кристалла образуется градиент концентраций свободных носителей заряда: концентрация электронов и концентрация дырок по разные стороны от границы раздела значительно отличаются. В результате этого возникает диффузия свободных зарядов: электроны из n-области переходят в p-область и рекомбинируют с дырками, а дырки из р-области переходят в n-область и рекомбинируют с электронами.

Ток, обусловленный наличием градиентов концентрации дырок др/дх и свободных электронов дп/дх называется диффузионным током. Он направлен в сторону меньшей концентрации. Дырки из p-области диффузионно перемещаются в n-область, а электроны диффундируют из n-области в p-область. Движение электронов соответствует противоположному направлению тока. Поэтому дырочный ток диффузии и электронный ток диффузии совпадают по направлению.

В результате диффузии в области p-n-перехода концентрация свободных электронов и дырок убывает почти до нуля. Электрическая нейтральность полупроводника нарушается. С одной стороны, электроны и дырки переходя через границу раздела, оставляют после себя неподвижные ионы доноров и акцепторов, а с другой стороны, увеличивается концентрация электронов в р-области и концентрация дырок n-области.

В р-области вблизи ее контакта с n-областью образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n-области - положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Области пространственных зарядов на рисунке 3 заштрихованы. Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов φк и электрическое поле с напряженностью Е . Это поле огромной напряженности (Е ≈ 106 В/м) препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- и n-областей через р-n-переход и она практически прекращается.

. Характеристики р-n-перехода полупроводникового диода

На рисунке 4 показано распределение концентраций электронов и дырок в р-n-переходе. Если атомы доноров и акцепторов полностью ионизированы, то концентрация дырок в р-области равна концентрации акцепторов, а концентрация электронов в n-области равна концентрации доноров. Так как электроны и дырки являются свободными подвижными зарядами, то их концентрации в области р-n-перехода от pp до pn (или от nn до np ) изменяются плавно.

Рисунок 4 - Распределение концентраций электронов и дырок в р-n-переходе.

На рисунке 5 представлены распределения отрицательных и положительных зарядов в p-n-переходе. Атомы примесей прочно сидят на своих местах и не движутся под действием поля. В результате этого в р-п переходе образуется двойной слой зарядов: отрицательный заряд акцепторов в области р и равный ему по абсолютной величине положительный заряд доноров в области п. Так как акцепторы и доноры жестко связанны с кристаллической решеткой полупроводника, то в области раздела р- и n-областей концентрации акцепторов и доноров изменяются скачком (рисунок 5).

Изменение электрического заряда с отрицательного на положительный заряд в этой области полупроводника также происходит скачком. Переход в целом нейтрален, т. е. отрицательный заряд в левой его части и положительный заряд в правой его части одинаковы.

Рисунок 5 - Распределение объемных электрических зарядов вдоль р-n-перехода

Заряды экранируют толщу р и п областей кристалла от электрического поля. Поэтому вне р-п перехода, т. е. в толще р и п областей, электрического поля нет: в области п положительные заряды доноров скомпенсированы зарядами свободных электронов, в области р отрицательные заряды акцепторов скомпенсированы зарядами дырок (рисунок 5).

Область образовавшихся пространственных зарядов и есть область
p-n-перехода. Часто эту область называют обедненным или истощенным слоем из-за сильно пониженной концентрации подвижных носителей заряда.

Переход от области отрицательного объемного заряда к области положительного объемного заряда сопровождается изменением потенциала. Если за нулевой потенциал выбрать линию контакта двух полупроводниковых кристаллов различной проводимости, то потенциал кристалла с проводимостью типа p будет отрицательным, а потенциал кристалла с проводимостью типа n - положительным (рисунок 5).

С увеличением x, по мере перемещения из p-области в область отрицательного объемного заряда, отрицательный потенциал убывает до нуля. Причем максимальная скорость изменения потенциала соответствует границе раздела положительного и отрицательного объемных зарядов. При дальнейшем увеличением x в области положительного объемного заряда величина положительного потенциала увеличивается, а его скорость возрастания замедляется.

Рисунок 6 - Изменение потенциала в области объемного заряда и за ее пределами

За пределами положительного и отрицательного объемных зарядов в любом сечении p-области или n-области потенциал φ будет постоянным, максимальным по величине. Разность потенциалов, возникающую в р-n-переходе называют контактной разностью потенциалов φк или высотой потенциального барьера и обозначают  или UK. Контактная разность потенциалов обусловлена градиентом концентрации носителей заряда. Физический смысл контактной разности потенциалов - это энергия, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер:

 (1)

где k = 1,38∙1023Дж/К - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; Т - абсолютная температура; рр и рn - концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; nр и nn - концентрации электронов в р- и n-областях соответственно,  - температурный потенциал. При температуре Т = 270 С  0.025 В, для германиевого перехода  0,6 В, для кремниевого перехода  0,8 В.

Контактная разность потенциалов UK (или потенциальный барьер)
p-n-перехода приводит к образованию электрического поля. Оно неоднородное. Изменение величины напряженности электрического поля Е вдоль длины кристалла представлено на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимость напряженности электрического поля Е в области р-n-перехода от координаты x

Напряженность электрического поля Е максимальна на границе р- и n-областей, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. В этом сечении полупроводника крутизна кривой φ(x) максимальна. Напряженность электрического поля представляет собою градиент потенциала, т. е. характеризуется скоростью изменения потенциала с изменением координаты. Поэтому максимальной крутизне кривой φ(x), точке ее перегиба, будет соответствовать максимальное значение напряженности электрического поля Е. При удалении от р- и n-областей напряженность поля убывает. Там, где объемный заряд равен нулю, электрическое поле отсутствует. Другими словами, заряды экранируют толщу р и п областей от электрического поля. Вне р-п перехода, т. е. в толще областей р и п, электрического поля нет: в области п положительные заряды доноров скомпенсированы зарядами свободных электронов, в области р отрицательные заряды акцепторов скомпенсированы зарядами дырок.

. p-n-переход без внешнего источника напряжения

Когда к р-n-переходу не приложено напряжение от внешнего источника внутреннее электрическое поле препятствует развитию диффузионных процессов, в результате которого оно возникло. Движение носителей заряда под действием поля из областей, где они были неосновными, в области, где они становятся основными, образует дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току.

Таким образом, в равновесном состоянии (без внешнего напряжения) через р-n-переход движутся два встречных потока зарядов - протекают два тока. Это:

)        дрейфовый ток неосновных носителей заряда Iдр;

Так как внешнее напряжение отсутствует, и тока во внешней цепи нет, то дрейфовый ток и диффузионный ток взаимно уравновешиваются и результирующий ток равен нулю Iдр - Iдиф = 0 или в алгебраической форме

Iдр + Iдиф = 0 (2)

Это соотношение называют условие динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n-переходе.