Лабораторная работа: Исследование диода с переменной ёмкостью (варикапа)

Лабораторная работа № 3 Исследование диода с переменной ёмкостью (варикапа) ТЕОРИЯ Общие сведения p­n  переход   запертого   кремниевого   диода   подобен   диэлектрику конденсатора.   Приложенное   обратное   напряжение   влияет   на   толщину  p­n перехода и, соответственно, на емкость запорного слоя. Для измерения этой ёмкости   в   данной   работе   используется   резонансный   метод   в   параллельном резонансном контуре (рис.). В работе нужно учесть также собственную ёмкость катушки   индуктивности,   которая   соизмерима   с   ёмкостью   варикапа.   Она определяется по собственной резонансной частоте катушки индуктивности и, затем, вычитается из общей резонансной ёмкости. Барьерная емкость Рассмотрим,  к  чему  приводит  накопление   зарядов  в  p­n  переходе.  При наличии   внешнего   напряжения  U  распределение   зарядов   можно   изобразить следующим образом. dQ p +dQ l(U+dU) _  _  _ _  _  _ _  _  _ _  _  _ _  _  _ _  _  _ _  _  _ +  +  +  + +  +  +  + +  +  +  + +  +  +  + +  +  +  + +  +  +  + +  +  +  = l(U) n ­dQ dQ рис. 1 При изменении напряжения  U  на  dU  l  изменяется. Если  dU>0, области становятся электронейтральными. В результате   заряд в эмиттерной области увеличивается на dQ, а заряд в базовой области уменьшается на ту же величину (переход в целом остается электронейтральным). Нейтрализация   заштрихованных   областей   осуществляется 1дополнительными (не связанными с протеканием постоянного тока) дырками и электронами, поступившими из внешней цепи в эмиттер и базу. dQ +dQ + + + + + +Q _ _ _ _ _ ­Q dQ ­dQ Рис. 2 Таким образом, при изменении U на dU в цепи диода протекает заряд dQ, изменяющий   заряд   эмиттерных   и   базовых   областей   на   +dQ  и   –dQ соответственно.   Аналогичные   процессы   протекают   и   плоском   конденсаторе, емкость которого С  Q U dQ dU 0 S l ,  ­   относительная   диэлектрическая   проницаемость   среды,  0=   – где    электрическая постоянная, S – площадь электрода конденсатора, l – расстояние между электродами. Учесть   накопление   заряда   в  p­n  переходе   можно   путем   введения   в эквивалентную схему диоде барьерной емкости. Uд RБ С(Uд) С(Iд) Рис. 3 2Эта емкость подключается параллельно безинерционному элементу, ВАХ которого   соответствует   стационарной   ВАХ   диода   без   учета   сопротивления базы, введенного в схему отдельно. Единственное   отличие   барьерной   емкости  p­n  перехода   от   емкости плоского конденсатора заключается в том, что в плоском конденсаторе заряды ±Q  сосредоточены   в   плоскостях   внутренних   поверхностей   электродов,   а расстояние между ними l остается постоянным. В барьерной емкости ±Q заполняют весь переход, однако приращения этих зарядов ±dQ также сосредоточены в плоскостях, ограниченных p­n переходом и отстающих друг от друга на расстоянии  l(U).  Так как диффузная барьерная емкость  p­n  перехода   определяется   так   же   как   и   емкость   плоского конденсатора  UС Б   dQ dU  0 S  Ul . Зависимость емкости от напряжения, согласно   Ul   0 k l U .  k  k Следовательно  UC   0 C k  k  k , U где k=2 для резких p­n переходов, k=3 для плавных переходов. Диффузионная емкость Распределение   избыточных   носителей   заряда   в   эмиттере   и   базе   при положительном напряжении на p­n переходе имеет следующий вид. 3Э np0 N,n,p pp np NЭ NБ nn pn Б pn0 Рис. 4 База   и   эмиттер   являются   электрически   нейтральными,   причем нейтральность имеет локальный характер (рn=np). Избыточные   дырки   в   базе   появляются   вследствие   их   инжекции   из эмиттера. Избыточные электроны, компенсирующие заряд дырок, вытягиваются из   омического   контакта   базы   электрическим   полем,   созданным инжектируемыми   дырками.   Таким   образом   накопление   зарядов   избыточных дырок   (+QБ)   и   избыточных   электронов   (­QБ)   в   базе   связано   с   протеканием заряда в цепи диода. Влияние   процессов   накопления   этих   зарядов   на   цепь   диода   аналогично влиянию   некоторой   электрической   емкости   СД,   включенной   параллельно переходу. Эта емкость называется диффузионной емкостью базы. Накопление заряда в эмиттере также имеет место, однако, в большинстве случаев им можно пренебречь из­за одностороннего характера инжекции. В отличие от СБ, моделирующей пространственное разделение заряда в p­n переходе,   Сдиф  описывает   накопление   +   и   –   зарядов   не   разделенных   в пространстве. Локальная электрическая нейтральность в базе устанавливается за   время   максвелловского   времени   релаксации   в   материале   базы. Диффузионная емкость можно оценить соотношением С диф  dQ Б dU  dQ  pd Б kгг  pd  dI p kгг 0   dI  0 p dU В этом равенстве не учитываются процессы генерации и рекомбинации пар 4в базе. Поэтому является приближенным. Можно показать, что   p  I  T  диф   з r  C диф         диф r   I 0 , когда W Б  L p   I 0 , когда W Б  L p  I  T где  r  – скорость генерации пар,  р­ время жизни дырок,  диф  – среднее время диффузии дырок через базу. Таким образом, диффузионная емкость определяется током через диод и времени жизни дырок в базе, либо средним временем диффузии дырок через базу. При достаточно большом запирающим направлением  I=­I0  и  Cдиф=0. при I>>I0 Cдиф пропорциональна току. Экспериментальная часть Задание Снять с помощью осциллографа вольтамперную характеристику варикапа. В параллельном резонансном контуре изучить зависимость резонансной частоты от обратного напряжения  варикапа  и влияние  этого напряжения  на  емкость обедненного (запирающего) слоя. Порядок выполнения эксперимента 1.  Соберите   цепь   согласно   принципиальной   схеме   (рис.5).   На горизонтальный вход (X) подайте напряжение с варикапа, а на вертикальный (V)   Включите ­   напряжение   с   сопротивления,   пропорциональное   току. инвертирование   канала  Y,   чтобы   положительному   току   соответствовало отклонения луча осциллографа вверх. 5Рис. 5 2. Перерисуйте осциллограмму на график (рис. 6). 3.  Соберите   цепь   параллельного   резонансного   контура   согласно принципиальной схеме (рис.7) или монтажной (рис.8). Конденсатор С=0,22 мкФ служит для исключения пути протекания постоянного тока через катушку и ввиду большой емкости не влияет на параметры резонансного контура. 4.  Установите   частоту   напряжения   генератора   синусоидальной   формы между   10   и   20   кГц   и   максимальную   амплитуду.   Включите   и   настройте осциллограф,   который   служит   в   данном   опыте   для   измерения   напряжения высокой частоты. 6Рис.6 Рис. 7 5. Изменяйте обратное постоянное напряжение варикапа согласно табл.1 и находите значения резонансной частоты     ДЛЯ каждого значения обратного напряжения,   увеличивая   или   уменьшая   частоту   подаваемого   напряжения. рез f Резонансная   частота   определяется   по   максимальной   амплитуде   напряжения между  концами  параллельной  цепочки. Если  синусоида  сильно  искажена, то уменьшите её амплитуду. Занесите результаты измерений в табл. 1. 76.  На   рис.   9   постройте   график   изменения   резонансной   частоты   от обратного напряжения варикапа. 8Рис. 9 7.  Вычислите   общую   ёмкость   резонансной   цепи   по   измеренным резонансным частотам и индуктивности по формуле: С   2 где С ­ общая емкость цепи в пФ, L­ индуктивность катушки в Гн,   12 10  f рез  L 2 f рез  ­ резонансная частота в Гц. 8.  Определите собственную ёмкость катушки. Для этого уберите из цепи диод   и   конденсатор   и   снова   подберите   и   измерьте   резонансную   частоту. Собственную ёмкость катушки определите по такой же формуле: С КАТ   2  12 10  f рез 2  L  const . 9. Определите ёмкость варикапа, как разность общей ёмкости при каждом 9значении обратного напряжения и неизменной собственной ёмкости катушки: С ВАР  СС КАТ 10.  Занесите   значения   емкости   варикапа   в   табл.   1.   Затем   постройте зависимость   его   емкости  СВАР  ОТ  обратного   напряжения  UОБР  на   графике (рис.10). Рис. 10 Контрольные вопросы 1. Что такое варикап? 2. Какова природа барьерной емкости в p­n переходе? 3. Какова природа барьерной емкости в p­n переходе? 4. В чем различие емкости варикапа от емкости плоского конденсатора? 5. Как зависит емкость варикапа от приложенного обратного напряжения? 6. Что такое параллельный резонансный контур? 7. Что такое резонансная частота? 8. Перечислите основные параметры переменного тока. 109. Почему катушка колебательного контура помимо индуктивности обладает и емкостью?   11