Параметрические диоды и варикапы

Варикапом называют элемент, обладающий электрически управляемой емкостью. Существует три разновидности: на основе p-n перехода, барьера Шоттки, и МДП- структуры. Предназначены для параметрического усиления и генерации СВЧ-сигналов, умножения частоты, электронной перестройки частоты колебательных контуров, в качестве смесителей.

Известно, что проблема повышения чувствительности приемной аппаратуры сводится к задаче о понижении уровня собственных шумов предусилителя. Одним из путей решения ее является использование параметрических усилителей. Параметрическим усилителем принято называть колебательный контур, в котором один или несколько реактивных параметров меняются во времени по определенному закону. Подробная теория таких систем была развита в работах школы Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси, в которых было показано, что если, например, емкость колебательного контура меняется по закону , то в систему вносится отрицательное сопротивление

. В формулах для С и R_– параметр имеет смысл глубины модуляции периодически меняющегося реактивного параметра. Если вносимое отрицательное сопротивление R_– полностью компенсирует потери в контуре, то контур возбуждается, то есть его можно использовать в качестве генератора переменного тока. При частичной компенсации потерь такие системы можно использовать для создания усилителей.

Принцип действия параметрического усилителя сводится к следующему. Предположим, что в колебательном контуре (рисунок 6.16), в котором возбуждены электрические колебания, емкость конденсатора уменьшается каждый раз, когда напряжение на нем достигает максимума, и увеличивается до исходной величины, когда напряжение переходит через нуль. Тогда из выражения для падения напряжения на конденсаторе V_C = Q/C следует, что при каждом уменьшении емкости V_C должно увеличиваться при неизменном Q. Увеличение емкости до исходной величины при нулевом напряжении на конденсаторе не приведет к каким-либо изменениям электрической энергии, запасенной в колебательном контуре. Периодическая подкачка энергии в колебательный контур за счет изменения величины емкости конденсатора приводит к увеличению амплитуды колебаний в контуре (рисунок 6.17). Из рисунка видно, что частота изменения емкости при этом должна вдвое превышать частоту усиливаемых колебаний.

С

C₀

L C

t

U_C

a)

t

б)

Рисунок 6.16 - Схема колебательного Рисунок 6.17 - Зависимость от времени

контура (а) и обозначение варикапа (б) емкости конденсатора и падения напряжения

на нем в колебательном контуре

В настоящее время наиболее перспективными параметрическими усилителями являются такие, в которых в качестве переменной емкости используется емкость обратносмещенного полупроводникового диода с p-n переходом или барьером Шоттки. Роль управляемой емкости параметрического усилителя выполняет зарядная емкость p-n перехода. Периодическое изменение емкости p-n перехода можно осуществить, подавая на диод кроме постоянного смещения переменное напряжение, которое называется напряжением накачки. В общем случае для получения эффекта параметрического усиления не обязательно, чтобы частота напряжения накачки вдвое превышала частоту усиливаемого сигнала. В принципе частота напряжения накачки может быть даже ниже частоты усиливаемого сигнала. В этом случае условию параметрического усиления будут удовлетворять гармонические составляющие сигнала накачки.

Полупроводниковые диоды, используемые в параметрических усилителях в качестве переменной емкости, называются параметрическими диодами.

Вольтфарадная характеристика (ВФХ) варикапа на основе p-n перехода имеет следующий вид:

, (6.7)

где С₀ – емкость при нулевом смещении; n – показатель потенциальной зависимости; n = 2, для резкого p-n перехода ; n = 3, для плавного p-n перехода; n < 2, для сверхрезкого p-n перехода.

Параметры варикапа:

1. C_max (U_min) – максимальная емкость при заданном U_min (рисунок 6.18).

2. C_min (U_max) – минимальная емкость при заданном U_max .

3. К_пер = - коэффициент перекрытия емкости.

4. К_с = - коэффициент нелинейности емкости.

5. ТКС = - температурный коэффициент емкости.

6. Q = - добротность варикапа.

7. ТКQ = - температурный коэффициент добротности.

1. Фактор шума – F_ш = [дБ] – доля мощности шума, вносимого

усилительным элементом.

Коэффициент перекрытия определяется структурой p-n перехода (сверхрезкий) и максимально допустимым напряжением

.

Для сверхрезких p-n переходов К_пер = [4÷16].

К_с n=1

n=2

0,5

U

Рисунок 6.18 - ВФХ варикапа Рисунок 6.19 - Зависимость коэффициента

нелинейности емкости от напряжения

Коэффициент нелинейности определяет чувствительность емкости к изменению напряжения (рисунок 6.19).

.

Знак минус означает, что с увеличением напряжения чувствительность падает. Для увеличения коэффициента нелинейности емкости необходимо использовать структуру на основе сверхрезкого p-n перехода. В сверхрезком p-n переходе концентрация в базе уменьшается с координатой. В этом случае толщина ОПЗ с ростом напряжения увеличивается по более сильному закону, чем для резкого p-n перехода (рисунок 6.20). Одинаковому изменению dU соответствует большая величина dx из-за уменьшения объемной концентрации примесей с координатой. Кроме того, ослабляется температурная зависимость емкости, обусловленная уменьшением контактного потенциала с увеличением температуры, вследствие более высокой концентрации примесей в плоскости p-n перехода.

C

dU dU

+ +

dx x dx х

- - U

а) б) в)

Рисунок 6.20 - Изменение ОПЗ в резком (а), сверхрезком переходе (б) и ВФХ для n = 1 и n = 2

Из (6.7) емкость при нулевом смещении

,

где – контактный потенциал.

Температурный коэффициент емкости также уменьшается при увеличении обратного смещения (6.7).

Чувствительность параметрического усилителя определяется уровнем собственных шумов варикапа. В отличие от других активных элементов у варикапа отсутствуют дробовые шумы и другие виды, связанные с протеканием постоянного тока. Поэтому у него проявляется только тепловой шум.

,

где r – омическое сопротивление базы, – полоса частот.

Использование p⁺-n-n⁺ структуры позволяет уменьшить сопротивление базы до долей Ома и снизить уровень теплового шума. Охлаждение варикапа до азотных температур дополнительно позволяет повысить чувствительность приемника.

Добротность варикапа

Добротность характеризует степень идеальности реактивности. В частности для варикапа она определяется отношением емкостного импеданса к активному или отношением реактивной мощности к мощности активных потерь. Эквивалентная схема варикапа без учета индуктивности выводов отражена на рисунке 6.21.

R_j

r

C Рисунок 6.21 - Эквивалентная схема варикапа

Добротность ,

где .

Домножим на комплексно сопряженное выражение, чтобы выделить реальную и мнимую часть импеданса

,

где для резкого p-n перехода.

Тогда добротность . (6.8)

При выводе (6.8) было учтено, что проводимость омической утечки, определяемой величиной обратного тока значительно меньше емкостной проводимости

.

Выражение (6.8) можно представить в виде:

,

где – низкочастотная добротность (параллельные потери);

– высокочастотная добротность (последовательные потери).

Как следует из (6.8), добротность варикапа является экстремальной функцией частоты. Из условия экстремума имеем

; ; ; . (6.10)

На низких частотах добротность возрастает с ростом частоты по линейному закону, а на высоких падает по гиперболическому закону (рисунок 6.22).

Q

Q_max lgQ

а) б)

Для обеспечения высокой добротности необходимо обеспечить малое сопротивление базы и малую величину обратного тока. С ростом температуры Q_max уменьшается, так как дифференциальное сопротивление перехода R экспоненциально уменьшается (I_обр(Т) возрастает по экспоненте). Омическое сопротивление базы несколько

возрастает из-за падения подвижности, но доминирует более сильный закон нарастания

обратного тока. По этой же причине (6.10) _max возрастает, несмотря на некоторое увеличение емкости.

Температурная зависимость добротности отражена на рисунке 6.23. Влияние температуры на высоко-частотную добротность Q_вч значительно меньше, чем на низкочастотную. По этой причине диапазон рабочих частот варикапа ₀ расположен в области высокочастотной добротности. Типовые значения добротности находятся в интервале значений: 10² -10³.

Стабилитроны

Стабилитроны предназначены для параметрической стабилизации напряжения в электронных цепях. С этой целью используются диоды с обратимым электрическим пробоем (туннельный, лавинный, инжекционный), а также элементы, имеющие резко нелинейные характеристики (стабисторы, варисторы и др.).

Основная схема параметрической стабилизации напряжения приведена на рисунке 6.24. Благодаря малому дифференциальному сопротивлению стабилитрона изменение входного тока не приводит к значительным изменениям выходного напряжения (рисунок 6.24).

при .

Основные параметры стабилитронов:

1. Напряжение стабилизации U_ст (I_ст) при заданном токе.

2. Динамическое сопротивление .

3. Статическое сопротивление .

4. Температурный коэффициент напряжения стабилизации

, [К^-1] .

5. I_min , I_max – минимальный и максимальный ток стабилизации.

6. Коэффициент качества .

7. R_T – тепловое сопротивление, [К/Bт].

8. P_max – допустимая мощность рассеяния, [Вт].

R U_вх(t)

U_вх

U_вых

U_ст U U_ст

t t

R

а) б) I_ст

Рисунок 6.24 - Схема параметрической стабилизации

напряжения (а) и нагрузочная кривая (б)

U_вых(t) I

Напряжение пробоя, являющееся напряжением стабилизации, может изменяться в широких пределах - от 3,5 до 400 В и выше в зависимости от удельного сопротивления кремния. На рисунке 6.25 приведена рабочая часть ВАХ стабилитрона.

U_обр U_ст I α_ст, %/°С

I_min 0,15

0,10

R_д = tgβ

I_ст

β 0,05

I_max

U_ст , В

Тепловой

пробой 0 4 6 8 10 20 40 80 100 200 400

Рисунок 6.25 - Параметры ВАХ стабилитрона Рисунок 6.26 - Зависимость ТКН кремниевых

стабилитронов от напряжения стабилизации при 300 К

Так как реальная ВАХ в области пробоя имеет некоторый наклон, то напряжение стабилизации зависит от тока стабилизации I_ст . Максимальный ток стабилизации I_ст.max ограничен допустимой мощностью рассеивания P_max и возможностью перехода электрического пробоя в тепловой, который является необратимым. Минимальный ток стабилизации I_ст.min соответствует началу устойчивого электрического пробоя. При меньших токах в диоде возникают значительные шумы, происхождение которых связано с механизмом микроплазменного лавинного пробоя (шумы в предпробойной области используются в специальных приборах – полупроводниковых генераторах шума). Динамическое сопротивление r_дин и коэффициент качества Q характеризуют качество стабилизации и определяются углом наклона ВАХ в области пробоя (оно возрастает с ростом напряжения стабилизации). С увеличением напряжения стабилизации (лавинного пробоя) увеличивается ОПЗ и потери носителей заряда на столкновения с оптическими фононами, что и приводит к увеличению дифференциального сопротивления у высоковольтных стабилитронов. Важным параметром стабилитрона является α_ст . Зависимость α_ст от напряжения стабилизации U_ст приведена на рисунке 6.26. Как видно из рисунка, для высоковольтных стабилитронов α_ст > 0, а для низковольтных α_ст < 0 . Это объясняется зависимостью механизма пробоя от степени легирования полупроводника. При напряжении пробоя меньше доминирует туннельный или зинеровский пробой с отрицательным ТКН, в области (4,5÷7) В смешанный вид пробоя, где наблюдается компенсация отрицательного ТКН туннельного пробоя положительным ТКН лавинного пробоя. Выше 8 В доминирует лавинный пробой. Увеличение модуля ТКН с ростом напряжения стабилизации объясняется увеличением толщины ОПЗ и доли потерь на столкновения с фононами, которые компенсируются увеличением напряжения пробоя. Изменение знака ТКН происходит при концентрациях примеси в кремнии около 5·10¹⁷ см^–3. При U_ст = 5÷7 В коэффициент α_ст минимальный.

Одним из способов уменьшения α_ст заключается в последовательном соединении переходов с равными по значению, но противоположными по знаку температурными коэффициентами стабилизации. Если переход стабилитрона имеет абсолютное значение , равное 6 мВ/К, то при сборке последовательно с ним подсоединяют три p-n перехода, которые будут работать в прямом направлении, так как для прямого направления температурный коэффициент напряжения диода ТКН ≈ –2 мВ/К. Такие термокомпенсированные стабилитроны с α_ст 5·10^-4 К^–1 и менее применяются в источниках эталонного напряжения вместо нормальных элементов.

Динамическое сопротивление стабилитрона уменьшается с ростом тока стабилизации. Такое поведение обусловлено неоднородностью напряженности поля в обратном смещении по площади p-n перехода. Сначала включается часть площади с большой (критической) напряженностью поля. С увеличением тока (напряжения) эта площадь увеличивается, что приводит к уменьшению сопротивления с предельным значением – омическое сопротивление базы. Для уменьшения флуктуации напряжения пробоя по площади целесообразно использовать структуру сверхрезкого p-n перехода с ограниченной базой. Базовая область p-n перехода в этом случае легируется очень точно методом ионной имплантации с последующей теплообработкой (диффузией). Подлегирование базы примесью основных носителей позволяет подавить флуктуацию удельного сопротивления эпипленки. Дальнейшее формирование p⁺-области с диаметром, большим, чем область подлегирования, позволяет в одном цикле диффузии бора сформировать охранное кольцо, подавляющее поверхностный пробой и снижающее значение I_min стабилизации (рисунок 6.27). При стабилизации концентрации примесей в плоскости металлургического p-n перехода на уровне 10¹⁷ ÷ 5·10¹⁷ см^–3 и необходимом профиле N₀(x), можно реализовать стабилитроны с напряжением стабилизации (10…50) В с меньшим ТКН, чем у ступенчатых p-n переходов. Возможность управления ТКН с помощью профиля концентрации в базе является важным моментом при конструировании прецизионных стабилитронов с меньшим количеством прямосмещенных компенсирующих p-n переходов и, следовательно, с меньшим динамическим сопротивлением.

SiO₂ р⁺

ОПЗ

p

n

n^– Рисунок 6.27 - Структура стабилитрона

на основе p⁺-n-n⁺ перехода

n⁺

Конструкция стабилитронов аналогична конструкции выпрямительных диодов, выбор типа корпуса связан с мощностью рассеяния. Современные стабилитроны (лавинные диоды с контролируемым лавинообразованием) имеют напряжения стабилизации, доходящие до нескольких сотен вольт, токи – до десятков ампер.

Разновидностью кремниевых стабилитронов являются стабисторы. В этих диодах для стабилизации низких напряжений (до 1 В) используется прямая ветвь ВАХ p-n перехода. Для изготовления стабисторов используется сильнолегированный кремний, что позволяет получать меньшие значения сопротивления базы диода. Температурный коэффициент стабилизации стабисторов отрицательный и примерно равен –2 мВ/К.

Варисторы

Разновидностью стабилитронов – ограничителей перенапряжений являются варисторы – нелинейные сопротивления. Варисторы изготовляют методом керамической технологии, путем высокотемпературного обжига порошкообразного карбида кремния со связкой. Варисторы имеют форму дисков или цилиндров с электродами на противоположных поверхностях. Нелинейность ВАХ варисторов обусловлена туннельными и надбарьерными токами на точечных контактах между кристаллами карбида кремния (рисунок 6.28). ВАХ варистора может быть представлена в виде:

I = A∙U^β ,

где – коэффициент нелинейности варистора, [2….10].

I В зависимости от размеров зерен и техно-

логии обжига напряжение, при котором

резко возрастает ток, может лежать в

диапазоне от десятков вольт до тысячи

вольт. Нелинейность ВАХ, а также высокая

устойчивость карбида кремния к высоким

температурам позволяет использовать

(10 – 10³)В U варисторы в качестве ограничителей пере-

напряжений и подавателей импульсных

энергетических помех. Кроме того, они

могут быть использованы как дугогасители

в системах коммутации двигателей и

других индуктивных нагрузок.

Рисунок 6.28 - ВАХ варистора

Подобное применение находят также мощные кремниевые p⁺-n^–-p⁺ структуры (двуханодные стабилитроны), работающие на инжекционном пробое или смыкании базы областью пространственного заряда.