Варикап — полупроводниковый прибор с изменяемой ёмкостью¶

Варикап (от англ. varactor — от variable reactance, «изменяемый реактанс») — полупроводниковый прибор (диод), электрическая ёмкость p-n перехода которого управляема обратным напряжением смещения. Варикап относится к классу неуправляемых по току, но управляемых по ёмкости приборов и широко применяется в радиотехнике и электронике для перестройки частоты, модуляции и генерации сигналов.

¶Принцип действия

Основа работы варикапа — физическое свойство p-n перехода: при обратном смещении в области перехода формируется обеднённый (обеднённый) слой, который играет роль диэлектрика между двумя проводящими областями полупроводника. Толщина обеднённого слоя зависит от величины обратного напряжения: с ростом напряжения слой расширяется, и ёмкость перехода уменьшается. Приближённо зависимость описывается формулой:

C(U) ≈ C₀ / (1 + U/U₀)^γ,

где C₀ — ёмкость при нулевом смещении, U₀ — характерное напряжение, γ — показатель степени, определяемый профилем легирования перехода (для линейного градиента примесей γ ≈ 1/3, для гиперболического — γ ≈ 1/2).

Типичный диапазон изменения ёмкости варикапов составляет от единиц до сотен пикофарад, коэффициент перестройки (отношение максимальной ёмкости к минимальной) — от 2–3 до 10 и более.

¶Устройство и конструкция

Варикап изготавливается на основе кремния или арсенида галлия (GaAs). Кремниевые варикапи используются преимущественно в радиочастотных цепях с частотами до нескольких гигагерц, арсенидгаллиевые — в сверхвысокочастотных устройствах, где важны высокое быстродействие и малые потери.

По конструкции различают:

• Однопереходные (абруптные, abrupt) варикапы — с резким изменением концентрации примесей на границе перехода; имеют γ ≈ 1/2.
• Градиентные (hyperabrupt) варикапы — с плавным изменением профиля легирования; обеспечивают более широкий диапазон перестройки ёмкости.
• Варикапные матрицы (диодные столбики) — серии варикапов, включённых последовательно или параллельно для увеличения рабочего напряжения или суммарной ёмкости.

Корпусирование аналогично обычным маломощным диодам: цилиндрические герметизированные корпусы, планарные корпуса для поверхностного монтажа (SMD). Основные параметры, указываемые в справочниках: диапазон рабочих частот, минимальная и максимальная ёмкость, диапазон обратного напряжения (обычно от 0,5–1 до 20–30 В), добротность (Q-фактор), ёмкостная статическая нелинейность.

¶Основные характеристики

Добротность варикапа — важнейший параметр, определяющий потери в перестраиваемых контурах; она падает с ростом частоты из-за последовательного сопротивления выводов и базовой области.

¶Применение

Основные области применения варикапов:

• Перестраиваемые генераторы и резонансные контуры — замена механическим конденсаторам в LC-генераторах; перестройка частоты осуществляется изменением управляющего напряжения.
• Фазовые и частотные модуляторы — варикап включается в контур генератора, управляющее напряжение модулирует частоту несущего сигнала.
• Параметрические усилители — использование нелинейной ёмкости для усиления сигналов на сверхвысоких частотах.
• Приёмники с селективным преобразованием частоты — перестраиваемый гетеродин на варикапе.
• Фильтры с электронной настройкой — полосовые и полосопропускающие фильтры, перестраиваемые по частоте.
• Микроволновые устройства — фазовращатели, перестраиваемые резонаторы, устройства формирования сигналов в радарах и системах связи.

В СССР варикапы выпускались под марками КВ102, КВ109, КВ121, КВ202 и другими; в современной российской и зарубежной номенклатуре распространены серии на кремнии (например, BB-серии) и на GaAs.

¶Достоинства и ограничения

К достоинствам варикапов относятся: отсутствие механически подвижных частей, высокая скорость перестройки (микро- и наносекунды), малые габариты, возможность интеграции в полупроводниковые схемы, низкое потребление (управляющий ток практически равен току утечки, единицы микроампер).

Ограничения связаны с нелинейностью зависимости C(U), паразитной индуктивностью выводов, ограничением обратного напряжения пробоем, а также температурной зависимостью ёмкости. Для компенсации нелинейности в схемах применяют дифференциальные включения пар варикапов, предварительное выпрямление управляющего напряжения и цифровые методы коррекции.

¶История

Идея использования нелинейной ёмкости p-n перехода для перестройки частоты была предложена в конце 1940-х годов; первые коммерческие варикапы появились в США в начале 1950-х годов (диоды типа 1N91 и аналоги). В СССР серийный выпуск варикапов начался в 1960-е годы. С развитием интегральных схем варикапы стали изготавливаться в составе монолитных структур совместно с транзисторными генераторами (VCO — voltage-controlled oscillator).

Источники:

• Справочник по полупроводниковым приборам (варикапы, дроссельные диоды)
• Гуревич А. Г. «Диоды и транзисторы в импульсных схемах»
• Фролов В. Ф., Гуревич А. Г. «Полупроводниковые приборы: справочник»
• Радиотехнические справочники по СВЧ-устройствам