3.10. Варикапы

Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость (рис.3.2). Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые не механически, а электрически, т. е. изменением обратного напря­жения.

Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных кон­туров, а также в некоторых специальных схемах, например в так называемых параметрических усилителях. На рис. 3.15 показана простейшая схема включения варикапа в колебательный контур. Изменяя с помощью потенциометра R обрат­ное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную частоту контура. Конденсатор С_р является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напряжения замкнут накоротко катушкой L.

Рис. 3.15. Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве конденсатора

В качестве варикапов можно использовать кремниевые стабилитроны при напряжении ниже U_СТ, когда обратный ток еще очень мал и, следовательно, обратное сопротивление очень велико.

3.11. Туннельные и обращённые диоды

Туннельный диод изго­товляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей (10¹⁹ — 10²⁰ см^-3), т.е. с очень малым удельным сопротивлением, в сотни или тысячи раз меньшим, чем в обычных диодах. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Электронно-дырочный переход в вырож­денном полупроводнике получается в десятки раз тоньше (10^-6 см), чем в обыч­ных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. Вследствие малой толщины перехода напряженность поля в нем достигает 10⁶ В/см.

В туннельном диоде, как и в обычном, происходит диффузионное пере­мещение носителей через электронно-дырочный переход и обратный их дрейф под действием поля. Но кроме этих процессов основную роль играет туннель­ный эффект. Он состоит в том, что в соответствии с законами квантовой физики при достаточно малой толщине потенциального барьера существует воз­можность для проникновения электронов через барьер без изменения их энергии.

Рис. 3.16. Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Вольт-амперная характеристика туннельного диода приведена на рис. 3.16. При U = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В даст возрастание прямого туннельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением туннельного тока. Поэтому в точке Б получается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого характерно отрицательное сопротивление переменному току:

. (3.18)

После этого участка ток снова возрастает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рис. 3.16 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. во много раз больше, нежели у обычных диодов.

Включая туннельный диод в различные схемы, можно его отрицательным сопротивлением скомпенсировать положительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получить режим усиления или генерации колебаний. Например, в обычном колебательном контуре за счет потерь всегда имеется затухание. Но с помощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно уничтожить потери в контуре и получить в нем незатухающие колебания. Схема генератора колебаний с туннельным диодом показана на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Схема включения туннельного диода для генерации колебаний

Туннельный переход электронов сквозь потенциальный барьер происходит в чрезвычайно малые промежутки времени: 10^-3 - 10^-5 нс. Поэтому туннельные диоды хорошо работают на сверхвысоких частотах. Напри­мер, можно генерировать и усиливать колебания с частотой до десятков и даже сотен гигагерц.

Рис. 3.18. Вольт-амперная характеристика и условное графическое изображение обращенного диода

Если для диода применить полупроводник с концентрацией примеси около 10¹⁸ см^-3, то при прямом напряжении туннельный ток практически отсутствует и на вольт-амперной характеристике нет падающего участка (рис. 3.18). Зато при обратном напряжении туннельный ток по-прежyему значителен, и поэтому такой диод хорошо пропускает ток в обратном направлении. Подобные диоды, полу­чившие название обращенных, могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, нежели обычные диоды.