Варикапы уже давно нашли самое широкое применение в радиотехнике, но далеко не все новички в этой области знают, что это за прибор, как работает и для чего служит. В этой статье мы выясним принцип работы варикапа, научимся его проверять и попробуем заменить этот полупроводник обычным диодом.
Конструкция и принцип работы
Варикап – это полупроводниковый прибор, который может изменять свою электрическую емкость под действием приложенного к нему обратного напряжения. То есть по сути, это конденсатор переменной емкости, но регулировать эту емкость можно не механически, а величиной постоянного напряжения. На принципиальных схемах варикап выглядит как некий гибрид полупроводникового диода и конденсатора.
Конденсатор понятно, но при чем тут диод? Да при том, что этот тип приборов, по сути, является диодом, только с небольшими технологическими изменениями. Взглянем на структуру варикапа.
На сильнолегированный слой полупроводника n-типа (на схеме n+) выращивается высокоомная пленка низколегированного проводника n-типа (n-). Это так называемый эпитаксиальный слой. Затем при помощи диффузии акцепторных примесей верхнюю часть эпитаксиального слоя превращают в слой p-типа. При этом между слоями разного типа формируется n-p-переход.
Стеклянное покрытие служит защитой боковой поверхности структуры от внешнего воздействия и увеличивает максимально возможное обратное напряжение полупроводника.
Пока никаких отличий от диода мы не видим. Два слоя разной проводимости, между ними область, бедная носителями заряда – барьер.
При отсутствии напряжения на электродах в слоях, расположенных вблизи p-n-перехода, располагается обедненный слой определенной толщины
А теперь подадим на полупроводник обратное напряжение – катод подключим к плюсу, а анод к минусу источника питания. За счет обратного напряжения дырки начнут выталкиваться вглубь p-, а электроны вглубь n-области. Обедненный слой становится шире.
Что такое обедненный слой? Это слой, лишенный носителей заряда, по сути, диэлектрик. Если необедненные слои n и p области принять за обкладки, то перед нами окажется самый настоящий плоский конденсатор. Емкость же такого конденсатора согласно известной формуле напрямую зависит от расстояния между обкладками, т.е. от толщины диэлектрика. Чем больше расстояние, тем меньше емкость. Таким образом, управляя толщиной обедненного слоя изменением величины обратного напряжения, мы можем изменять электрическую емкость нашего полупроводникового конденсатора.
Отличие же варикапа от обычного диода состоит лишь в технологии его изготовления. Подбирая соответствующие легирующие присадки, конструкторам удалось добиться от, казалось бы, обычных диодов относительно высоких коэффициента перекрытия по емкости, температурного коэффициента емкости (ТКЕ), хорошей добротности и пр.
Как проверить
Можно ли проверить исправность варикапа без сборки всевозможных стендов и использования специальных приборов? В принципе для проверки с точностью «пациент скорее жив, чем мертв» достаточно обычного мультиметра, имеющего режим проверки диодов. Прозваниваем варикап в обоих направлениях. Если в одном из них прибор покажет значение порядка 300-600 мВ, а в другом бесконечность, то полупроводник с большой долей вероятности исправен.
Если же мы хотим быть уверенными в исправности варикапа, а также узнать диапазон перекрываемых им емкостей, то придется все же воспользоваться несколькими приборами – вольтметром, измерителем емкости (С-метром) и блоком питания. ННу и еще нам понадобится пара радиодеталей, для сборки небольшого стенда.
Собираем схему, выводим движок переменного резистора R2 в нижнее по схеме положение и подаем питание. Изменяем положение движка резистора и следим за изменением показаний С-метра, которые будут связаны с показаниями вольтметра. Чем напряжение выше, тем меньшее значение покажет С-метр.
Прежде, чем начать проверку, необходимо выяснить, на какое максимальное обратное напряжение рассчитан варикап. Если это напряжение превысить, то полупроводник будет испорчен.
Стоит заметить, что при использовании данной схемы проверки, показания С-метра будут соответствовать общей емкости варикапа и конденсатора С1, соединенных последовательно. Для того, чтобы узнать емкость варикапа, необходимо воспользоваться формулой:
Собщ=C1*C2/C1+C2,
где:
- Собщ - показания С-метра;
- С1 - емкость конденсатора С1 (100n);
- С2 - емкость варикапа.
Для снятия характеристик с варикапа его необходимо питать только от стабилизированного источника питания с минимумом пульсаций. В противном случае показания С-метра будут необъективными.
Варикап из диода
Итак, мы выяснили, что варикап по своей структуре практически не отличается от обычного диода. Можно ли заменить один полупроводник другим? Вполне. Ведь обычный диод тоже имеет барьер и, что самое главное, ширина этого барьера, а значит, и его емкость тоже зависят от обратного напряжения.
Таким образом, для того, чтобы использовать диод в качестве управляемой напряжением емкости, ничего изобретать не надо. Достаточно подать на прибор обратное напряжение и он будет исполнять роль конденсатора, управляемого напряжением.
Другое дело, получим ли мы при этом полный аналог варикапа? Будут ли у диода теми же, к примеру, ТКЕ, коэффициент перекрытия и прочие характеристики, характерные для варикапа? С ТКЕ мы, скорее всего, «пролетим», а вот с емкостью все не так плохо.
Очень многие диоды и даже транзисторы по коэффициенту перекрытия, максимальной и минимальной емкости практически не уступают варикапам. Таким образом, использовать обычный диод вместо варикапа вполне реально, что, впрочем, давно доказано радиолюбителями.
Другое дело, что взяв в руки варикап, можно точно сказать, какими характеристиками, относящимися к конденсаторам, он обладает, поскольку все они нормированы. А вот диоды придется подбирать индивидуально. Характеристики, касающиеся именно свойств конденсатора, у полупроводников даже одной серии могут существенно разниться.
Любопытно, что роль варикапа может исполнять стабилитрон и даже обычный транзистор. Один из вариантов такой замены изображен на схеме ниже. Как и диод, стабилитрон и транзистор придется подбирать индивидуально.
Очень часто в советской радиоприемной и передающей аппаратуре можно было встретить обычный стабилитрон Д814, включенный как варикап. Причем найти его в этом качестве можно было и в военной технике, требования к надежности и качеству работы которой были и остаются весьма жесткими.
Вот мы и узнали, что такое варикап и как он работает. Ну а заодно выяснили, что при необходимости этот прибор можно заменить обычным диодом, стабилитроном или транзистором.
