МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра МНЭ
Курсовая работа
по дисциплине «Твердотельная электроника»
тема: Расчет параметров активных элементов твердотельной электроники
Студентки гр. 6204
Димашова П.Д.
Игнатьева Л.А.
Преподаватель
Изумрудов О.А.
Санкт-Петербург 2019
Задание на курсовую работу
варикап ёмкость диапазон напряжение
Студентки: Игнатьева Л.А., Димашова П.Д.
Группа 6204
Тема работы: «Расчет параметров активных элементов твердотельной электроники».
Исходные данные: Umin=5 В, Umax=15 B, Cном=25 пФ при U=Umin, особенности структуры-резкий p-n переход.
Аннотация
В представленной курсовой работе был исследован полупроводниковый прибор варикап, особенностью которого является зависимость барьерной емкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикап используется для перестройки частоты генераторов, настройки частотно-избирательных цепей с управлением напряжением, в системах автоматической подстройки частоты различных радиоприёмных устройств, в параметрических усилителях, для умножения частоты в умножителях частоты, управляемых напряжением фазовращателях и других. Также был рассмотрен принцип действия варикапа и рассчитаны основные геометрические параметры варикапа.
Summary
In the submitted term paper, the semiconductor device the varicap which feature is the dependence of barrier capacity of p-n of transition on reverse voltage was investigated. The varicap is used for reorganization of frequency of generators, setup of frequency-selective chains with management of tension, in the systems of automatic frequency control of different radio receivers, in parametric amplifiers, for frequency multiplication in the frequency multipliers managed by tension phase shifters and others. Also, the operation principle of the varicap was considered and the key geometrical parameters of the varicap are calculated.
Введение
В настоящее время число электронных компонентов, управляемых напряжением, стремительно растет. Такая тенденция связана с активным развитием цифровой техники сегодня. Прежде электронная аппаратура управлялась вручную, но цифровая техника избавила нас от этого. Теперь, однако, есть возможность управлять и настраивать устройства посредством задания характеристик. Такие изменения произошли благодаря появлению электронных компонентов, управляемых напряжением, одним из которых является варикап.
Варикап -- это полупроводниковый диод, основным параметром которого является, не односторонняя электрическая проводимость, а изменяемая под действием управляющего напряжения емкость. То есть в варикапе используется зависимость приложенного к нему обратного напряжения и емкости p-n-перехода.
На принципиальной схеме варикап имеет следующее обозначение(рис.1).
Рис. 1. Обозначение варикапа на схеме
1. Основные сведения
Варикап - полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения. Иными словами, в данном приборе используется зависимость приложенного к нему обратного напряжения и емкости p-n-перехода.
1.1 Принцип работы варикапа
Работа большинства полупроводниковых приборов - и в том числе варикапов - основана на использовании свойств электрического перехода - переходного слоя в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости. Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая - р-типа, называется электронно-дырочным переходом. Бывают симметричные и несимметричные р-n-переходы. В симметричных переходах выполняется условие nn = pp, где nn- концентрация электронов в полупроводнике n-типа, pp - концентрация дырок в полупроводнике р-типа. Таким образом концентрация основных носителей зарядов по обе стороны симметричного р-n-перехода равны. Однако на практике используются, как правило, несимметричные переходы, в которых концентрация дырок в полупроводнике р-типа больше концентрации электронов в полупроводнике n-типа (pp > nn), или наоборот (nn > pp), причем различие в концентрации может составлять 100-1000 раз. Низкоомная область, сильно легированная примесями (например, р-область в случае перехода pp > nn), называется эмиттером; высокоомная, слаболегированная (n-область в случае перехода pp > nn), - базой.
Вблизи плоскости р-n-перехода существуют большие градиенты концентрации электронов и дырок, которые вызывают диффузионные потоки дырок из р-области в n-область, а электронов из n-области в р-область. Возникают диффузионные токи Inдиф и Ipдиф. По аналогии с диффузией молекул газа можно ожидать, что диффузия электронов и дырок будет осуществляться до тех пор, пока их относительные концентрации не выравняются по всей структуре. Этого, однако, не происходит. Когда дырки диффундируют из р-области, в ней остается равное число отрицательных неподвижных ионов акцепторов. Аналогично, когда электроны диффундируют из n-области, в ней остаются положительные ионы доноров. Следовательно, в окрестности перехода диффузия дырок и электронов образует области с избыточной концентрацией неподвижных отрицательных зарядов в материале р-типа. Эти прилегающие к переходу области, содержащие неподвижные заряды, образуют область пространственного (объемного) заряда (рис. 1.). Области объемного заряда с каждой стороны перехода имеют заряд, противоположный заряду тех подвижных носителей, которые диффундировали из этой области. По мере развития диффузии размеры заряженных областей увеличиваются, растут силы, притягивающие обратно основные носители заряда. Эти силы препятствуют диффузионному потоку. Поэтому процесс диффузии можно рассматривать как самоограничивающийся; он продолжается до тех пор, пока силы притяжения нескомпенсированных ионов примесей в слое объемного заряда не уравновесят диффузионный поток; при этом результирующий перенос заряда и ток становятся равными нулю.
Таким образом, взаимная диффузия основных носителей неизбежно сопровождается перераспределением зарядов и образованием в р-n-переходе двойного электрического слоя ионов донора и акцепторов, жестко связанных с решеткой. Толщина этого слоя (показан на рис.1 пунктирной линией) Х = 10-4 … 10-5 см, а напряженность электрического поля Е0 = -gradц0, где ц0 - высота потенциального барьера. За пределами перехода изменение потенциала практически равно нулю, так как проводник электрически нейтрален и поле в нем отсутствует. Образовавшийся потенциальный барьер высотой ц0 препятствует движению основных носителей заряда через переход. Поле напряженности Е0 = ц0/Х выбрасывает из перехода подвижные носители «в свою область» (электроны в n, дырки в р-область). Поэтому область шириной Х называется обедненным слоем. Однако, это же поле Е0 является ускоряющим для неосновных носителей - дырок в n-области и электронов в р-области. В поле напряженности Е0 происходит их дрейф, возникают дрейфовые токи электронов Iдрn и дырок Iдрp. Движение зарядов прекращается, когда наступает динамическое равновесие и токи через переход уравниваются: Inдиф + Ipдиф = Iдрn + Iдрp.
Дрейфовые токи направлены навстречу диффузионным и равны им. При отсутствии внешнего поля результирующий ток через переход для каждого типа носителей равен нулю. Если к переходу приложить разность потенциалов таким образом, что плюс внешнего источника подключается к р-, а минус - к n-области, то этот источник создает в переходе электрическое поле Е противоположного Е0 р-n-перехода, отчего результирующее поле в переходе ослабляется и потенциальный барьер снижается. Высота потенциального барьера становится равной ц=ц0-UПР, где UПР - постоянное прямое напряжение, приложенное к переходу. В результате снижения потенциального барьера количество основных носителей, диффундирующих через переход, возрастает. При этом увеличивается количество подвижных носителей и в запирающем слое, сопротивление и его ширина уменьшается. Чем большее напряжение прикладывается, тем ниже становится потенциальный барьер, тем больше возрастает ток основных носителей, а так как их концентрация велика, то значителен и ток через переход. Ток растет очень резко с увеличением напряжения: Iпр ~ exp(qUпр/kT).
Если к переходу приложить напряжение Uобр обратной полярности, плюс - к n-, а минус - к р-области, то переход оказывается включенным в обратном направлении, приложенное к переходу напряжение называется обратным, а ток через переход - обратным током Iобр. Внешний источник в этом случае создает в переходе электрическое поле Е того же направления, что и поле самого перехода Е0, отчего потенциальный барьер повышается и его высота становится равной ц=ц0+UПР. В результате повышения потенциального барьера основные носители уходят из приконтактных областей обоих полупроводников, концентрация свободных носителей в области перехода по сравнению с равновесным состоянием уменьшается, увеличивается ширина р-n-перехода Х и его сопротивление. Диффузионный ток основных носителей почти прекращается, а неосновные носители выносятся полем в противоположные области. Основная составляющая тока через переход - ток дрейфа неосновных носителей. Но их концентрация невелика и ток через переход, включенный в обратном направлении, незначителен и практически не зависит от величины приложенного обратного напряжения.
Рис. 2. Изменение толщины барьерного обеднённого слоя вблизи p-n-перехода при изменении обратного напряжения, приложенного к структуре.
1.2 Конструкция варикапа
Как правило, варикапы изготавливаются по планарно-эпитаксиальной технологии, которая дает возможность оптимизировать электрические параметры прибора. На пластине сильнолегированного низкоомного полупроводника (обычно с n-типом проводимости) выращивается высокоомная плёнка низколегированного полупроводника n-типа. C помощью диффузии акцепторной примеси на поверхности эпитаксиального слоя формируется низкоомный анодный слой p-типа. Боковая поверхность структуры для защиты выходящего на поверхность p-n-перехода и увеличения обратного пробойного напряжения покрывается легкоплавким стеклом.
Рис. 4. Конструкция варикапа.
1.3 Электрические и эксплуатационные параметры варикапа
Сн - номинальная емкость, т.е. емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения;
Смакс - максимальная емкость - емкость варикапа при заданном минимальном напряжении смещения;
Смин - минимальная емкость - емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения;
RТ - общее тепловое сопротивление.
Кс = Cмакс/Смин - коэффициент перекрытия по емкости;
ТКC=dC/(CнdT) - температурный коэффициент емкости - относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры окружающей среды на 1 Кв рабочем интервале температур при заданном напряжении смещения;
Qв - номинальная добротность варикапа - отношение реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь при номинальном напряжении смещения на заданной частоте;
ТКQв=dQв/(QвdT) - температурный коэффициент добротности - относительное изменение Qв при изменении температуры окружающей среды на 1 Кв заданном интервале температур.
К параметрам эксплуатационных режимов относятся:
Pв.макс - максимальная допустимая мощность - максимальное значение мощности, рассеиваемой на варикапе, при которой обеспечивается заданная надежность при его длительной работе;
Uобр.макс - максимально допустимое напряжение - максимальное мгновенное значение переменного напряжения на варикапе;
fмакc - fмин - частотный диапазон работы варикапа, определяемый граничными частотами, на которых добротность варикапа Qв= 1. При этом граничные частоты варикапа:
fмакс=1/(2рCбарrs); fмин=1/(2рСбарRy)
где rs=rЭ+rБ - сопротивление потерь в эмиттерной и базовой областях варикапа; Rу-сопротивление утечки перехода варикапа.
Самый простой вариант эквивалентной схемы варикапа для ВЧ и СВЧ переменного сигнала изображен на рис. 5. и представляет собой последовательное соединение зависящей от напряжения емкости C(U) и последовательного сопротивления потерь Rп.
Рис. 5. Вариант эквивалентной схемы варикапа.
Добротность Q, которая для эквивалентной схемы, приведенной на рис. 5, равна:
Q = |XC|/Rп = 1/2рfRпC
где f -- рабочая частота.
Предельная частота fпр -- частота, на которой Q = 1, то есть: fпр = 1/2рRпC.
1.4 Эквивалентная схема
В настоящее время практически во всех перестраиваемых по частоте узлах электронной аппаратуры вместо устаревших механических методов перестройки используется электронная перестройка с помощью варикапов -- полупроводниковых приборов с емкостью, зависящей от величины приложенного напряжения.
Основными преимуществами данного метода являются: малые габариты узла настройки; возможность очень просто увеличить количество одновременно перестраиваемых контуров; отсутствие габаритных механических элементов, позволяющее размещать варикапы непосредственно около контурных катушек; возможность снижения паразитных излучений от элементов гетеродинов и т.п. за счет введения качественной экранировки каждого каскада; легкое сочетание плавной настройки и фиксированной, которая обеспечивается подачей на варикапы заранее установленных управляющих напряжений; хорошее согласование с цепями АПЧ; большое сопротивление механическим воздействиям, а следовательно, большая надежность и полное отсутствие микрофонного эффекта; возможность дистанционного управления и автоматизированного поиска нужной частоты без применения механических узлов.
Зависимость емкости варикапа C от приложенного обратного напряжения Uобр приблизительно определяется соотношением:
C?K/(Uобр+цк)n
где: K -- постоянная величина, зависящая от геометрических размеров и физических свойств перехода (диэлектрической проницаемости материала), цк -- контактная разность потенциалов перехода, равная 0,8...0,09 В для кремниевых варикапов и 0,35...0,45 для германиевых; n -- показатель, зависящий от концентрации примесей в переходе, т.е. от технологии изготовления диода. В наиболее распространенных в настоящее время варикапах n < 0,5. Большие значения встречаются в диодах, которые имеют повышенный коэффициент перекрытия по емкости.
Эквивалентная схема варикапа при работе в режиме обратного смещения представлена на рис. 6 (в схеме не показаны индуктивность выводов и емкость корпуса).