Емкость при нулевом смещении Со - значение емкости в отсутствие постоянного напряжения на варикапе:

Со = ф- .

(9-46)

Используя величину Со, зависимость емкости от обратного напряжения можно представить в виде

CcJl+-Y\ (9-47)

Фк /

Номинальная емкость варикапа - ей-кость при номинальном обратном напряжении [/пом, при котором определяется ряд параметров варикапа. Обычно величина У пом выбирается в пределах 2-5 в.

Эквивалентные схемы варикапа аналогичны эквивалентным схемам диодов. В полной моделирующей схеме (рис. 9-28) учитываются емкость р-п перехода С, утечка g, шунтирующая запертый р-п переход, сопротивление выводов г (в том числе объемное сопротивление полупроводниковой пластинки), собственная индуктивность Lm выводов и конструктивная емкость См корпуса и выводов. Элементы и С оказываются существенными лишь в области СВЧ, причем их присутствие может привести к заметным отклонениям действующей емкости варикапа от емкости С р-п-перехода. Роль активного сопротивления г и проводимости утечга g с изменением рабочей частоты изменяется. Влияние обоих элементов сразу существенно только в районе некоторой средней частоты

Рис. 9-31. Эквивалентные схемы варикапов для области низших (а) и высших (б) частот.

fcp =

(9-48)

На частотах ниже fcp потери сосредоточиваются в проводимости g, а на частотах выше fср - в сопротивлении г. Соответственно в области низших частот удобна параллельная схема замещения (рис. 9-31, а) с подстановкой Gs~g, а в области высших частот - последовательная (рис. 9-31,6) с подстановкой Гв~г. В обеих схемах СэСе, кроме области самых высоких частот, приближающихся к частоте собственного резонанса, обусловленного индуктивностью Lm-

Значение элемента г практически не зависит от обратного напряжения, а проводимость утечки g, проходя через минимум при напряжении в несколько вольт, увеличивается с повышением обратного напряжения. Типичные значения g составляют сотые доли микросименса, а г - десятые доли или единицы ома.

Добротность варикапа - откошеше реактивного сопротивления к эквивалентному последовательному сопротивлению потерь (в соответствии со схемой замещения рис. 9-31,6):

Величина Q зависит от частоты и обратного напряжения, она максимальна на частоте /ср:

Смаке = ,- (9-50>

На частотах ниже fcp добротность варикапа прямо пропорциональна частоте и понижается с увеличением обратного напряжения, а на частотах выше fcp - обратно пропорциональна частоте и увеличивается с повышением обратного напряжения (рис. 9-32).

Качество варикапа - произведение добротности на частоту, при которой измерена добротность,

Qf= , (9-51)

Эта величина характеризует ту высшую частоту, при которой добротность снижается до единицы. Качество, как и добротность, в области высших частот повышается с увеличением обратного напряжения.

Коэффициент изменения емкости кс отношение максимальной емкости варикапа ,

. 200

0,11 ш womi о)

/о ЮОМги,-- О

Ю 20 в б)

Рнс. 9-32. Зависимости добротности варикапа от частоты (а) и, обратного Ijпpяжeния (б).

(обычно при номинальном напряжении) к . иннмальной (при максимальном рабочем напряжении). В связи с некоторой условностью выбора напряжений, при которых измеряются оба значения емкости варикапа, величина кс не является жесткой характеристикой варикапа и в реальных схемах применения может отличаться от сообщаемой в справочных данных.

Температурный коэффициент емкости ТКЕ - относительное изменение емкости варикапа при повышении температуры на 1°С. Типичные значения имеют порядок 10--10~* град~ и положительны. У варикапов ТКЕ существенно зависит от обратного напряжения и с увеличением последнего уменьшается.

Максимальное обратное напряжение варикапов ограничивается не только приближением к пробою, сопровождающемуся ростом обратного тока, но и увеличением собственного щума, что может отрицательно влиять на работу некоторых устройств.

Вентильные фотоэлементы и фотодиоды

Полупроводниковые приборы с запорным слоем, генерирующие э. д. с. под действием света, образуют две основные группы вентильных фотоэлементов (рис. 9-33).

/235

Рнс. 9-33. Селеновый фотоэлемент (а) и германиевый фотодиод (б).

; - контактное кольцо; 2 - полупрозрачный слой металла; 3 - селен с донорной примесью; 4 - чистый (дырочный) селен; 5 - стальная подложка; 6 - кристаллодержатель с отверстием; 7 - пластинка из электронного германия; 8 - индиевый электрод; 9 - вывод.

Первая группа - приборы, использующие тонкие слои поликристаллических полупроводников (селеновые, серноталлиевые и сернистосеребряные фотоэлементы), а вторая - приборы с р-п переходом в монокристаллической структуре (кремниевые фотоэлементы, германиевые фотодиоды и др.).

Вентильные фотоэлементы с поликристаллическими полупроводниками имеют меньщую чувствительность и обладают заметной инерционностью, проявляющейся уже в области звуковых .частот. Наибольшим к. п. д. (порядка 10%) обладают кремниевые фотоэлементы, применяемые для преобразования энергии излучения солнца в электрическую энергию, причем их называют солнечными батареями.

Для энергетического преобразования света выгодны фотоэлементы из полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны (например, арсенид галлия), развиваюшие более высокую фо-то-э. д. с.

Фотодиоды из монокристаллического полупроводника (германиевые, кремниевые) применяются не только как вентильные фотоэлементы, когда они выступают в качестве самостоятельных источников тока (рис. 9-34, с), но и в фо.тодиодном режиме, причем они работают как фотосопротивление в цепи источника постоянного тока (рис. 9-34,6).

Статические вольт-амперные характеристики (рис. 9-35, приводятся только для фотодиодов) выражают зависимость тока /д в цепи фотодиода от обратного напряжения (/обр при различных значениях освещенности в режиме короткого замыкания {Rh = =0). Первая из этих характеристик, снимаемая в отсутствие освещения, характеризует темповой ток /т фотодиода и соответ-

Рис. 9-34. Схемы включения вентильных фотоэлементов (а) и фотодиодов в фотодиодном режиме (б).

ствует обратному току обычного диода. Величина фототока при данной освещенности слабо зависит от обратного напряжения и достигает практически максимальной величины уже при Lo6p=0,2 0,5 в.

Чувствительность - увеличение фототока при увеличении светового потока на 1 лм в режиме короткого замыкания. Обычно указывается интегральная чувствительность, измеряемая при освещении стандартной лампой накаливания с цветой-й температурой 2 854° К- В фотодиодном режиме чувствительность измеряется при обратном напряжении 1 в и может немного превышать величину чувствительности в вентильном

Рнс. 9-35. Статические вольт-амперные характеристики фотодиода.

режиме. Значение интегральной чувствительности селеновых фотоэлементов составляет до 600 мка1лм, а у германиевых диодов достигает 20 000 мка/лм.

У энергетических фотопреобразователен в качестве чувствительности указывают плотность тока короткого замыкания при освещении прямыми лучами солнца; для солнечных элементов из кремния и арсени-да галлия она достигает десятков миллиампер с 1 см.

Световые характеристики показывают зависимость фототока от освещенности. В вентильном режиме (рис. 9-36, а) с увеличением сопротивления нагрузки световые

характеристики становятся все более нелинейными, причем повышение освещенности приводит к снижению чувствительности, В фотодиодном режиме (рис. 9-36, б) световые характеристики практически линейны до тех пор, пока падение напряжения на сопротивлении нагрузки меньше напряжения дополнительного источника тока, и незначительно зависят от напряжения этого источника.

1000 2000 лк О

1000 гооолк б)

Рис. 9-36. Цветовые характеристики вентильного фотоэлемента (а) и фотодиода (б).

Рис. 9-37, Спектральные характеристики вентильных фотоэлементов и фотодиодов: Se - селенового; Ge - германиевого; Si - кремниевого.

элементам из поликристаллических полупроводников, у которых максимум чувствительности наблюдается при некоторой оптимальной температуре, а при повышении и понижении температуры на 20-30° С чувствительность может снижаться в 2-3 раза. У фотодиодов чувствительность несколько увеличивается с повышением температуры (примерно на 1% на ГС), сопротивление резко уменьшается из-за увеличения темнового тока (практически вдвое на каждые 10°С). Кроме того, в фотодиодах при значительных токах наблюдается саморазогрев, который может быть рассчитан по известной для каждой рабочей точки мощности Р, рассеиваемой в р-п переходе:

АТ=-, (9-52)

где AT - 1

- превышение температуры р-п перехода над температурой окружающей среды; Н - коэффициент рассеивания - параметр фотодиода, равный мощности, которую необходимо рассеять в р-п переходе для повышения его температуры на ГС. Предельные режимы эксплуатации вентильных фотоэлементов ограничиваются только рабочим диапазоном температур, а для фотодиодных режимов указываются, кроме того, предельное обратное напряжение и максимальная рассеиваемая мощность.

Туннельные диоды

Плоскостные полупроводниковые диоды с очень узким р-п переходом, имеющие туннельный механизм проводимости, называю г туннельными диодами. Они применяются для усиления и генерирования высокочас-

Спектральные (рис. 9-37), частотные характеристики и постоянная времени имеют тот же смысл, что и для фоторезисторов.

Поскольку энергия активации вентильных фотоэлементов определяется шириной запрещенной зоны, максимум спектральной характеристики смещается в сторону более коротких волн по мере увеличения ширины запрещенной зоны. Для германиевых диодов он заходит в область инфракрасных лучей (Х~1,5 мк), для кремниевых - в район максимума энергии солнечного спектра (около 0,8 мкм), для селеновых близок к максимуму чувствительности глаза человека (0,5-0,6 мк). Постоянная времени, значительная для фотоэлементов из поликристаллических полупроводников, для фотодиодов составляет всего лишь 10 сек.

Температурные характеристики выражают зависимость чувствительности или фототока (для фотодиодов-также темнового тока и внутреннего сопротивления) от температуры. Наиболее сильные температурные зависимости свойственны вентильным фото-

Рис. 9-38. Статическая вольт-амперная характеристика туннельного диода и ее параметры.

тотных колебаний и как активные элементы быстродействующих переключающих схем.

Статическая вольт-амперная характеристика (рис. 9-38) имеет участок с отрица-