чв miT)

Рис. 4.13. Эквивалентная схема варикапа; зависимость его добротности от частоты

сопротивление обратно смещенно- с; 6) Q g го перехода PoGp; барьерная емкость Сбар.

На низкой .частоте x6= (1/<МнХ ХСбар)>/б, поэтому сопротивлением Гб можно пренебречь, тогда добротность варикапа (конденсатора, шунтированного сопротивлением) СвнчЛМнСбарРобр-

На высокой частоте Хъ =

= (1/о)вСбар)«:1Робр, поэтому Об-

ратным сопротивлением Робр перехода можно пренебречь и добротность варикапа (конденсатора с последовательно подключенным сопротивлением)

<?ввч ~ 1/(«вСбар/-б). (4.20)

Добротность, как видим из рис. 4.13, б, зависит от частоты. Для получения высокой добротности НЧ варикапы должны обладать большими значениями Сбар и сопротивления обратно смещенного р-п-перехода Робр. Это достигается применением материалов с широкой запрещенной зоной (например, кремний с Дфз=1,12 эВ и Робр=1 МОм). Большая величина добротности ВЧ варикапов реализуется при малых значениях Сбар и Гб- Для снижения Гб увеличивают концентрацию примесей в базе (германиевые или арсенид-гал-лиевые диоды с высокой концентрацией примеси Гб = 2-=-6 Ом).

Рабочий диапазон частот варикапа определяется значениями нижней Юн и верхней Ив частот, соответствующих минимальному значению добротности Qemhh (см. рис. 4.13, б), которое для обычных систем принимают Qbhhh=1, а для параметрических около 10. Предельное (критическое) значение частоты, соответствующее Свм1ш= 1, согласно выражению (4.20) составит

«„рел=1/(/-бСбар). (4.21)

Параметры варикапа зависят от температуры. С повышением температуры растет обратный ток, снижается сопротивление перехода РобрИ добротность Qeh4- В небольших пределах изменяется и Сбар- Изменение добротности AQe и емкости ДСв варикапа от изменения температуры окружающей среды ЛГ характеризуется температурными коэффициентами добротности oq и емкости осв:

ар = AQMAT) и а,=АСЯСАТ).

(4.22)

К параметрам предельных режимов варикапа относят максимально допустимые: постоянное С/обр макс и импульсное С/обр п макс

напряжения и рассеиваемую мощность Рвмакс варикапа. .

Примерами промышленных образцов варикапов могут служить приборы Д901А-Е, КВ105А-Б, КВ107А-Г, КВПОА-Е и др. Варикапы применяются в качестве переменной емкости для настройки резонансных систем генераторов, устройств автоподстройки частоты (АПЧ) и т. д.

Варакторы. Эффект изменения емкости -«-перехода в зависимости от изменения обратного напряжения используется для умножения частоты. Диоды, используемые для умножения частоты сигнала, называют варакторами. Возможность умножения частоты с помощью варакторов обусловлена нелинейностью их вольт-фарад-ных характеристик Св=ф( обр)-

Добротность варактора согласно выражениям (4.20) и (4.21):

Qbb4 ~ 1/(<«вхСбарб) = <прел/<вх.

где Швх - частота входного сигнала; Шпред - предельная частота, на которой реактивное сопротивление емкости варактора равно сопротивлению потерь Гб, т. е. Qb вч=1-

Важными параметрами варактора как умножителя частоты являются к. п. д. и максимальная выходная мощность.

К. п. д. варактора определяется как отношение мощности, выделяемой на выходе прибора гармоники, к подводимой мощности входного сигнала. Для получения высокого к. п. д. предельная частота варактора должна в десятки раз превышать частоту входного

сигнала (сОпред 10 СОвх) .

Выходная мощность варактора определяется допустимой мощностью сигнала на входе варактора и его к. п. д. При высокой добротности амплитуду напряжения сигнала на варакторе принимают 0,5 f/обрмакс, тогда максимальная входная мощность

Рвхмакс = О.бвхввч (0,5С/обрмакс)-

При низкой добротности варактора частота умножителя приближается к предельной частоте, а потери в диоде растут. В этом случае максимальная входная мощность определяется не только максимально допустимым напряжением С/обр макс, но и допустимой мощностью рассеяния варактора Ррас=/вх-Рвых- В табл. 4.6 приведены параметры варакторов средней мощности, используемых в системах радиорелейной связи.

Достоинством варакторов является возможность создания на них эффективных умножителей с большим коэффициентом умножения. Благодаря малым потерям в варакторном умножителе высшие гармоники могут образовываться не только путем прямого умноже-

Таблица 4.6

ния входной частоты, но и путем умножения и комбинирования низких гармоник этой частоты. Для этого необходимо, чтобы через ва-рактор протекали токи преобразуемых низких гармоник. Достигается это применением «холостых» контуров, подключаемых параллельно варактору и настраиваемых на частоты этих гармоник.

§ 4.9. Беспереходные диоды Ганна

Общие сведения. Беспереходные диоды или генераторы Ганна представляют собой полупроводниковые приборы, в которых используется эффект возникновения электромагнитных колебаний в однородном кристалле полупроводника под действием сильного поля внещнего источника постоянного напряжения. Диоды Ганна преобразуют энергию источника постоянного напряжения в энергию сверхвысокочастотных колебаний. Достигается это в кристалле полупроводника за счет изменения подвижности электронов в электрическом поле с разной напряженностью.

Физические основы работы приборов Ганна. В полупроводниковом кристалле свободный электрон можно считать свободным только условно, так как на электрон в кристалле действует периодическое потенциальное поле кристаллической рещетки. Влияние внутренних сил на электрон учитывают путем изменения значения его массы, вводя понятие эффективной массы электрона. Эффективная масса - это коэффициент пропорциональности-в законе, связывающем внещнюю силу, действующую на электрон в- кристалле, с его ускорением.

В полупроводнике, например арсениде галлия, существуют свободные электроны с разными подвижностями: электроны с малой эффективной массой («легкие» электроны) и большой подвижностью Л1 и электроны с большой эффективной массой («тяжелые» электроны) и малой подвижностью Л2.

При слабой напряженности поля, меньшей порогового значения (£i<£nop), практически все свободные электроны находятся в средней области зоны проводимости, и концентрация «легких» электронов «1 равна равновесной концентрации «о, т. е. П1 = По-

Плотность тока

где ill - подвижность «легких» электронов.

При сильном электрическом поле (£2>£пор) свободные электроны приобретают дополнительную энергию и переходят в кристалле в область с более высоким значением энергии. Здесь они характеризуются большей эффективной массой (становятся «тяжелыми») и малой подвижностью p,2<M-i. В этом режиме концентрация «тяжелых» электронов «2=«о и плотность тока / = епом,2£2-

При средней напряжённости поля Е, недостаточной для ударной ионизации, общая концентрация электронов остается неизменной, равной равновесной концентрации П1 + П2 = По.