Kapacitní diody

Všechny plošné diody mají kapacitu závislou na napětí. Této vlastnosti lze využít a vytvořit přeladitelný kondenzátor s proměnnou kapacitou. Součástky speciálně zhotovené k těmto účelům se nazývají varikapy a varaktory. Využívá se kapacity přechodu PN v zpětném směru (bariérové kapacity), jejíž závislost na napětí lze vyjádřit vztahem:

kde koeficient n = 1/2 pro strmý přechod a n = 1/3 pro přechod pozvolný. Tato kapacita může mít v závislosti na konstrukci diody a použitém materiálu velmi malý ztrátový činitel, který závisí na sériovém odporu diody a dále na závěrném odporu přechodu PN. Difúzní kapacita přechodu PN v přímém směru tyto výhodné vlatnosti nemá (její existence souvisí s injekcí minoritních nosičů náboje, při které je odpor přechodu PN malý a ztrátový činitel tedy velký).

Rozsah provozních napětí varikapů je omezen z jedné strany malým napětím v přímém směru, při kterém se zmenšuje hodnota paralelního odporu a tím roste ztrátový činitel, a z druhé strany průrazným napětím přechodu. Rozsah pracovních napětí bývá nejčastěji -1 V až -30 V. Těmto hodnotám odpovídá rozsah kapacit od 20 do 100 pF až od 2,5 do 10 pF. S těmito hodnotami souvisí tzv. kapacitní zdvih C_max:C_min, který se pohybuje u běžných varikapů v rozmezí 2,5 až 6 a u speciálních se zvětšenou závislostí kapacity na přiloženém napětí až 20 (struktura takového varikapu je na obr. 1, jedná se o upravený přechod PN, u kterého se změnou šířky prostorového náboje měníme i efektivní plochu přechodu).

Obr. 1 Struktura varikapu s proměnnou efektivní šířkou přechodu. Zdroj: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Geometricka_uprava_kapacitni_diody.png

Pro výrobu varikapů se používá převážně křemík, pro vysokofrekvenční varikapy se používá germanium nebo GaAS. Přechod PN u varikapů pro nf aplikace se vytváří difúzí. Pro použití na vysokých kmitočtech se varikapy vyrábějí slitinovou technologií nebo technologií MESA. V tomto případě platí pro ztrátový činitel vztah:

kde R_s je sériový odpor diody (pro vysoké kmitočty lze paralelní odpor zanedbat).

Ze vztahu je patrné, že kapacita C_B i odpor R_s musí být co nejmenší. Malé kapacity se dosahuje malou plochou přechodu PN (uvedenými technologiemi výroby) a malého odporu velkým průřezem krystalu. Při kmitočtu f = 100 MHz se dosahuje hodnot R_s = 0,4 až 1,6 W. Konstrukční provedení varikapů je buď ve skleněných, nebo plastových miniaturních pouzdrech.

Jak už bylo řečeno varikap je kapacitní dioda měnící hodnotu kapacity v závislosti na ss napětí. Přivedené změny vf napětí jsou relativně malé, takže změna kapacity je lineární (např. ladění rezonančních obvodů). Je to tedy lineární kondenzátor, jehož kapacita se dá měnit pomocným nebo pomalu se měnícím napětím.

Vedle varikapů se vyrábějí ještě varaktory, což jsou kapacitní diody, pracující s tak velkým vf signálem, že během periody dochází k výrazné změně kapacity. Varaktor se chová k vf signálu jako nelineární kondenzátor (vznikají vyšší harmonické složky). Stejnosměrné předpětí se zpravidla nepřivádí (vytváří se usměrněním vf signálu).

Porovnání varaktoru a varikapu:

varaktorem prochází větší vf proud (i přívodními dráty a částí polovodiče), z čehož plyne nutnost dimenzovat jej na větší ztrátový výkon
základní elektrické parametry jsou zhruba stejné (jde o co největší poměr maximální a minimální kapacity, o co nejmenší sériový odpor a zároveň o co největší nelineární závislost C = f(u))
varaktor musí být technologicky uspořádán tak, aby měl malý tepelný odpor pro dobrý odvod tepla, rozdíl je tedy i v konstrukčním provedení

Varaktor lze tedy vždy provozovat jako varikap (i když rozsah hodnot kapacity bývá menší), opačně to obecně neplatí.

Literatura

Doc. Ing. Ivan Burger, CSc., Prof. Ing. Lubomír Hudec, DrSc.; Elektronické prvky, Vydavateľstvo technickej a ekonomickej literatúry Bratislava, 1989

Literatura

Další kapitoly

Leave a ReplyCancel reply