ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УПРАВЛЯЕМЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

Проиллюстрирована возможность частичной замены конденсаторов в электронных схемах на полупроводниковые диоды, стабилитроны и триоды. Рассмотрены схемы включения полупроводниковых элементов в режиме управляемых конденсаторов. Приведены результаты экспериментальных исследований полупроводниковых конденсаторов.

Ключевые слова: полупроводниковый диод, емкость, контактная разность потенциалов, управляющее напряжение, температурная стабильность, добротность, сопряжение и настройка.

 

STUDY OF CHARACTERISTICS OF CONTROLLED SEMICONDUCTOR CAPACITORS

It illustrates the possible partial replacement of capacitors in electronic circuits on semiconductor diodes, zener diodes and transistors. The schemes enable semiconductor elements in the regime-controlled capacitors. The results of experimental research of semiconductor capacitors.

Keywords: semiconductor diode, capacitance, contact potential difference, the control voltage, temperature stability, the quality factor, pairing and setup.

Полупроводниковые конденсаторы являются довольно интересными, и одновременно хорошо забытыми элементами электронных схем. Теоретические сведения из физики полупроводников свидетельствуют об образовании электрической емкости на границе p-n перехода и о возможности управления ею внешними воздействиями [1]. Разумеется, речь идет исключительно о малых емкостях, измеряемых единицами или десятками пикоФарад. Тем не менее, в практике приборостроения необходимость использования перестраиваемых конденсаторов с такой емкостью возникает довольно часто. Примерами этого могут служить входные цепи радиоприемной аппаратуры, схемы фильтров, высокочастотных генераторов и т.д. [2]. По сравнению с обычными конденсаторами их полупроводниковые аналоги на сегодня оказываются дешевле, поскольку в их структуре не содержатся такие относительно дорогие вещества как двуокись циркония или углекислый барий. Правда, вместо них в полупроводниковых приборах содержатся не менее дорогие кремний или германий, но требуемое количество этих элементов для одного полупроводника гораздо меньше. В настоящее время настройка радиоаппаратуры осуществляется в основном с помощью воздушных конденсаторов переменной емкости. Эти конденсаторы имеют сравнительно большие массу и габариты, причем по емкости номенклатура выпускаемых промышленностью конденсаторов недостаточно разнообразна. Блоки конденсаторов, выпускаемые заводами, обычно состоят из двух- трех секций; в то время как в ряде случаев требуются конденсаторы с большим количеством секций.

В качестве полупроводникового конденсатора можно использовать запертый p-n переход любого диода, стабилитрона или полупроводникового триода, причем, диапазон емкостей у различных переходов весьма широк (см. Табл.1 и 2). Число «секций» такого конденсатора практически не ограничено, а отсутствие механического вала, связывающего секции, позволяет размещать каждый конденсатор непосредственно у колебательного контура, что особенно важно в диапазоне УКВ.

Недостатком полупроводникового конденсатора  по сравнению с воздушным, можно считать меньшее перекрытие по емкости (𝑘𝑐= 3 … 9). Однако в диапазоне коротких и ультракоротких волн         это свойство представляет собой даже преимущество, так как при существующей плотности размещения радиопередающих устройств    настройка принимающей \аппаратуры с использованием    конденсатора с большим перекрытием затруднена.

Добротность полупроводниковых конденсаторов несколько ниже, чем воздушных, но все же достаточна для многих  практических случаев. Кроме того,  в схемах  на полупроводниковых  триодах     добротность контура определяется не столько добротностью катушки и конденсатора, сколько входным сопротивлением триода.

Нельзя не отметить и простоту дистанционной настройки, подстройки, а также автоподстройки контуров, которую можно осуществить полупроводниковым конденсатором. Применение полупроводниковых конденсаторов для настройки супергетеродина позволяет в некоторых случаях производить точное сопряжение гетеродинного и сигнальных контуров во всем диапазоне, а не в трех точках поддиапазона, как обычно.

Полупроводниковые конденсаторы могут найти широкое применение не только в качестве электронной настройки радиоприемной аппаратуры, но и для получения амплитудной и частотной модуляции, в генераторах качающейся частоты, параметрических и диэлектрических усилителях и для множества других целей.

Рассмотрим основные особенности и свойства полупроводниковых конденсаторов, знание которых необходимо для их успешного и правильного применения.

Основные характеристики полупроводниковых конденсаторов

Емкость. При исследовании p-n переходов диодов и триодов оказалось, что абсолютная величина емкости у разных переходов различна. Например, емкости селеновых шайб достигают 0,25 мкФ, а емкость высокочастотных диффузионных и поверхностно-барьерных переходов составляет единицы пикоФарад.

Как показал эксперимент, наиболее пригодным для настройки колебательных контуров оказались кремниевые переходы. Из выпускаемых в настоящее время промышленностью кремниевых диодов минимальными размерами обладают кремниевые стабилитроны BZX79-C10 – BZX79-C13, предназначенные для стабилизации постоянного напряжения в электрических цепях. Как конденсаторы, они обладают хорошими электрическими характеристиками. Поэтому в дальнейшем речь пойдет, в основном, о них. Как известно, кремниевые стабилитроны имеют p-n-переход сплавного типа. Емкость такого перехода выражается формулой:

Таблица 1 Зависимость емкости перехода диода от постоянного управляющего напряжения

Eупр,В Диод	0	0,1	0,3	0,6	1,5	5,0	15	40
1N34	3,4	1,6	1,1	0,8	0,6	0,58	0,55	0,45
1N302	1,45	0,6	0,5	0,4	0,35	0,3	0,25	0,21
1N443	80	52	42	35	26	10	7	5
FR603	78	75	72	64	56	42	27	10
1N488	–	350	300	280	250	150	–	–

 

В результате исследований была измерена емкость большого количества стабилитронов и рассмотрена ее зависимость от приложенного постоянного  напряжения.  Оказалось, что  максимальная емкость полупроводниковых переходов на частоте 1 МГц, измеренная в отсутствие внешнего постоянного напряжения, для отдельных экземпляров колеблется в пределах от 50 пФ до 800 пФ. Изменение емкости перехода при изменении

управляющего постоянного напряжения удобно характеризовать параметрами 𝐾и 𝑈0. Если известны параметры 𝐾 и 𝑈0., то для каждого значения постоянного напряжения, приложенного к переходу, по формуле (1) можно найти его емкость.

Таблица 2 Зависимость емкости перехода некоторых полупроводниковых триодов от постоянного управляющего напряжения

Тип триода	𝐸упр, В   Переход	0	0,1	0,3	0,6	1,5	5,0	10,0
2N104	К – Б Б – Э	– –	80 80	64 65	52 52	40 36	26 22	22 16
2N536	К – Б Э – Б	150 68,6	138 62	122 55	104 46	80 35	45 15	30
2N2089	К – Б Э – Б	22,5 72	14 66,5	11 59	9 54	7,5 49	5 –	4,5 –
2N602	К – Б Э – Б	10 5,5	7 4	6 3,5	5 3,2	4 2,4	3 2,0	2 –
2N603	К – Б Э – Б	26 38	24 32	20 26	17 21	13 16	8 10	6,5 7
2N1743	К – Б Э – Б	10 10	7,5 9,8	5,8 8,8	5,4 –	4,5 –	4,0 –	3,2 –

Измерения показали, что емкость стабилитронов имеет ярко выраженные области группирования, в пределах которых они отличаются менее чем на 10%. Для примера в Табл.3 приведены результаты статистической обработки измерений емкости диодов Z1A11, а на Рисунке 1 построены графики зависимости среднего значения емкости каждой из групп от приложенного управляющего напряжения.

Перекрытие по емкости у полупроводниковых стабилитронов  на частоте 1 МГц может колебаться в пределах 𝑘𝑐= 2,5…3,2 при изменении управляющего напряжения от 0,5 В до максимально возможного.

Контактная разность потенциалов. Физический смысл контактной разности потенциалов поясняется на

Рисунке 2. Как известно, полупроводниковый переход можно условно разделить на три основные области: область преобладания положительных зарядов (область «дырок» или p-область), область носителей отрицательных зарядов (область электронов или n-область) и область, разделяющая две первые, обедненная свободными носителями заряда.

Таблица 3 

Основные параметры диодов Z1A11 как полупроводниковых конденсаторов

Группа	K	𝑈0 , В Первой партии	𝑈0 , В Второй партии	Количество экземпляров	% к общему числу
I	470	0,86	0,86	2	6
II	400	0,86	0,41	13	35
III	300	0,86	0,86	12	32
IV	220	0,86	0,86	9	24
V	128	0,86	0,86	1	3

На границе соприкосновения двух полупроводниковых слоев с различными типами проводимости образуется двойной электрический слой с положительным полюсом в n-области и отрицательным – в p-области. Этот двойной электрический слой обеднен свободными носителями зарядов и состоит из неподвижных ионов. В пределах этого двойного слоя имеется перепад потенциалов, образующий их контактную разность. Если внешнее постоянное напряжение,  приложенное к полупроводниковому конденсатору, меняется  от  𝐸мин до 𝐸макс , то перекрытие по емкости составит величину 


Из формулы (1) видно, что при изменении постоянного напряжения перекрытие по емкости будет тем меньше, чем больше контактная разность потенциалов 𝑈0.

В различных партиях полупроводниковых стабилитронов контактная разность потенциалов может меняться в пределах от 0,4 до 1,1 В. Однако в одной партии элементов изменение контактной разности потенциалов не превышает 10% от среднего значения в этой партии.

Контактная разность потенциалов полупроводникового перехода является дополнительным постоянным напряжением. Поэтому при отсутствии внешней разности потенциалов переход не откроется, если амплитуда переменного высокочастотного напряжения не превысит контактную разность потенциалов.

Сопротивление утечки. Упрощенная эквивалентная схема полупроводникового конденсатора представлена на Рисунке 2. На этой схеме 𝑅у представляет собой сопротивление утечки полупроводникового конденсатора, а 𝐶𝑔– емкость перехода.

Величина сопротивления утечки определяется неуправляемым током 𝐼ко, протекающим через переход. У кремниевых стабилитронов это сопротивление достаточно велико. С увеличением постоянного напряжения сопротивление утечки увеличивается, однако в области, близкой к напряжению стабилизации, сопротивление вновь начинает падать. Графики, иллюстрирующие изменение сопротивления утечки от управляющего напряжения, для двух экземпляров стабилитронов Z1A11 приведены на Рисунке 3.

Управляющее напряжение. Диапазон изменения управляющего напряжения (внешнего напряжения запирания) определяет перекрытие полупроводникового конденсатора по емкости – см. формулу (2).

Верхней границей управляющего напряжения является максимально допустимое запирающее напряжение перехода. У кремниевых стабилитронов верхней границей является напряжение стабилизации. Нижняя граница управляющего напряжения определяется моментом открывания перехода. Минимальное управляющее напряжение должно быть таким, чтобы напряжение высокой частоты не открывало бы переход (переход не откроется до тех пор, пока не будет преодолена контактная разность потенциалов). Это дает возможность работать и при отсутствии внешнего управляющего напряжения. Однако при малых управляющих напряжениях емкость меняется очень резко и настроить контур на нужную частоту оказывается проблематично. Это особенно заметно, когда постоянное напряжение подается с потенциометра, обладающего линейной зависимостью сопротивления от угла поворота вала. Задача значительно облегчается, если в качестве датчика используется потенциометр с показательным законом изменения сопротивления (см. Рисунок 4). Нижней границей управляющего напряжения можно рекомендовать напряжение 0,4 …0,5 В.

Влияние амплитуды сигнала. Если амплитуда сигнала соизмерима с управляющим напряжением, средняя емкость полупроводникового конденсатора не будет равна емкости, соответствующей малому сигналу. Это происходит вследствие того, что емкость за одну половину периода высокочастотного напряжения будет меняться больше, чем за другую. В результате с ростом амплитуды сигнала контур будет расстраиваться, а его добротность начнет падать. (см. Рисунок 5 и Рисунок 6). Чтобы избежать расстройки контура, максимальное высокочастотное напряжение на полупроводниковом конденсаторе должно быть на порядок меньше максимального управляющего напряжения.

Если это невозможно, в контур включается не один, а два одинаковых полупроводниковых конденсатора (см. Рисунок 6). В таком случае переходы по постоянному току будут соединены параллельно, а по переменному – последовательно.

Переменное напряжение на каждом полупроводниковом конденсаторе равно половине напряжения контура. При этом напряжение  на контуре до 1 В не  вызывает заметной расстройки или падения добротности (см. Рисунок 5 и Рисунок 6).

Температурная стабильность емкости. Как и все конденсаторы, полупроводниковый конденсатор меняет свои параметры при изменении температуры. Измерения показали, что температурная зависимость емкости линейна.

Изменение емкости объясняется изменением контактной разности потенциалов 𝑈0 с ростом температуры.

Температурный коэффициент емкости конденсатора положителен и зависит от величины управляющего напряжения. С ростом напряжения ТКЕ падает, так как изменение контактной разности в этом случае сказывается меньше. При изменении внешнего напряжения от нуля до максимально возможного температурный коэффициент емкости полупроводникового конденсатора меняется примерно на порядок.

Типичная зависимость температурного коэффициента емкости и добротности стабилитрона Z1A11 от управляющего напряжения приведена на Рисунке 7.

Добротность. Добротность полупроводникового конденсатора обратно пропорциональна величине активных потерь. Как показали измерения, добротность плоскостных кремниевых переходов значительно больше добротности германиевых. Именно это и определило использование кремниевых полупроводниковых конденсаторов для настройки контуров.

Величина потерь в конденсаторе, а, следовательно, и его добротность, зависит от частоты, на которой работает конденсатор, от запирающего напряжения, а также от температуры. Типичная зависимость добротности кремниевого конденсатора от частоты приведена на Рисунке 8.

Установлено, что в среднем для кремниевых стабилитронов при управляющем напряжении 4 В на частоте 1 МГц добротность равна 250…500. На более высоких частотах она падает, достигая на частоте 30 МГц значения 5…15. Увеличение управляющего напряжения приводит к росту добротности кремниевых конденсаторов.

Зависимость добротности кремниевых стабилитронов от управляющего напряжения имеет несколько иной вид (рис.7). Наличие максимума при увеличении управляющего напряжения объясняется увеличением потерь в области, близкой к напряжению пробоя.

Сопряжение и настройка контуров, использующих полупроводниковые конденсаторы. Применение полупроводниковых конденсаторов позволяет использовать и новые, более гибкие методы сопряжения контуров. В настоящее время в супергетеродинной приемной аппаратуре для настройки используются воздушные конденсаторы переменной емкости. Эти конденсаторы имеют механический вал и одинаковые по емкости секции. Точное сопряжение частоты сигнала и гетеродина в традиционных конденсаторах осуществляется только в трех точках диапазона.

Полупроводниковые конденсаторы не имеют общего механического вала. Перекрытие их по емкости и сама абсолютная величина емкости в пределах одной группы может иметь разброс ± 10%.

При использовании полупроводниковых конденсаторов сопряжение контуров прежним методом ведет к необходимости отбирать полупроводниковые конденсаторы с одинаковым перекрытием по емкости, а также имеющие одинаковую величину. Поэтому метод сопряжения добавочными конденсаторами здесь неприемлем. В таком случае гораздо целесообразнее использовать метод сопряжения напряжением.

Закон изменения емкости от внешнего постоянного напряжения справедлив для каждого перехода – см. формулу (1). Легко заметить, что разброс по емкости у разных экземпляров полупроводниковых конденсаторов определяется только изменением контактной разности потенциалов переходов. Поэтому, если несколько колебательных контуров должны иметь одинаковое перекрытие по частоте, ее можно достичь, приложив к переходу дополнительное постоянное напряжение. Это напряжение должно действовать согласно или встречно контактной разности потенциалов.

Перекрытие по частоте в гетеродинном контуре обычно несколько меньше перекрытия в контуре сигнала. Поэтому для гетеродинного контура можно подобрать полупроводниковый конденсатор с меньшим перекрытием, или вывести его на рабочий режим подачей дополнительного постоянного напряжения (Рисунок 9).

Перекрытие по емкости можно увеличить, несколько скомпенсировав контактную разность потенциалов. Разброс по емкости в пределах группы (10%) компенсируется подстройкой индуктивности контура.

Настройка всех колебательных контуров высокочастотного тракта радиоприемной аппаратуры может быть осуществлена с помощью одного датчика постоянного напряжения (потенциометра). В этом случае точное сопряжение частоты сигнала и гетеродина может быть получено во всем диапазоне частот

Настройка и подстройка колебательных контуров с помощью внешнего управляющего напряжения очень удобна. В частности, настройка постоянным напряжением может быть осуществлена со значительного расстояния, так как для постоянного тока не имеет значения длина соединительных проводов. Некоторым недостатком такого способа является необходимость наличия отдельных источников смещения для подстройки каждого контура.

 

Список литературы

1.     Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Учебник, 4-е изд. – М.: Энергия, 1977, 671 с.

2.     Шалимова К.В. Физика полупроводников: Учебник, 4-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2010, 400 с.: ил. –Учебники для вузов. Специальная литература.