Was ist eine Varactor-Diode?
Varactor-Diode
Eine Varactor-Diode ist eine rückwärts polarisierte p-n-Schicht-Diode, deren Kapazität elektrisch variiert werden kann. Diese Dioden sind auch als Varicaps, Tuningdioden, Spannungsgesteuerte Kondensatordioden, Parametrische Dioden und Variablen-Kondensatordioden bekannt.
Die Funktionsweise der p-n-Schicht hängt von der Art der Anwendungs-Polarisierung ab, entweder Vor- oder Rückwärts. Bei Vorwärts-Polarisierung nimmt die Breite der Sperrschicht mit zunehmender Spannung ab.
Andererseits nimmt bei Rückwärts-Polarisierung die Breite der Sperrschicht mit zunehmender angelegter Spannung zu.
Bei Rückwärts-Polarisierung verhält sich die p-n-Schicht wie ein Kondensator. Die p- und n-Schichten fungieren als Platten des Kondensators, während die Sperrschicht als dielektrisches Material zwischen ihnen dient.
Daher kann die Formel zur Berechnung der Kapazität eines Plattenkondensators auch auf die Varactor-Diode angewendet werden.
Die Kapazität einer Varactor-Diode kann mathematisch ausgedrückt werden als:
Wobei,
Cj die Gesamtkapazität der Schicht ist.
ε die Permittivität des Halbleitermaterials ist.
A die Querschnittsfläche der Schicht ist.
d die Breite der Sperrschicht ist.
Darüber hinaus wird das Verhältnis zwischen der Kapazität und der Rückwärts-Spannung durch folgende Gleichung gegeben:
Wobei,
Cj die Kapazität der Varactor-Diode ist.
C die Kapazität der Varactor-Diode ohne Vorspannung ist.
K eine Konstante ist, die oft als 1 betrachtet wird.
Vb das Barrierepotential ist.
VR die angelegte Rückwärts-Spannung ist.
m ist die materialabhängige Konstante.
Zusätzlich zeigt Abbildung 2 das elektrische Schaltbild und das Symbol einer Varactor-Diode.
Dies deutet darauf hin, dass die maximale Arbeitsfrequenz des Schaltkreises von dem Reihenwiderstand (Rs) und der Diodenkondensität abhängt, was mathematisch durch die folgende Gleichung gegeben ist:
Zusätzlich wird der Gütefaktor der Varactor-Diode durch die folgende Gleichung gegeben:
Wobei F und f die Absturzfrequenz und die Arbeitsfrequenz darstellen, jeweils.
Infolgedessen kann man schließen, dass die Kapazität der Varactor-Diode durch die Änderung der Stärke der Rückwärts-Spannung variiert werden kann, da sie die Breite der Sperrschicht, d, verändert. Auch ist aus der Kapazitäts-Gleichung ersichtlich, dass d umgekehrt proportional zu C ist. Dies bedeutet, dass die Schichtkapazität der Varactor-Diode mit zunehmender Breite der Sperrschicht, die durch eine Erhöhung der Rückwärts-Spannung (VR) verursacht wird, abnimmt, wie in Abbildung 3 dargestellt. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass obwohl alle Dioden diese Eigenschaft aufweisen, Varactor-Dioden speziell hergestellt werden, um dieses Ziel zu erreichen. Mit anderen Worten, Varactor-Dioden werden mit dem Ziel hergestellt, eine bestimmte C-V-Kurve zu erhalten, was durch die Kontrolle des Dotierungsgrades während des Herstellungsprozesses erreicht werden kann. Je nachdem, ob die p-n-Schicht linear oder nicht-linear dotiert ist, können Varactor-Dioden in zwei Typen unterteilt werden, nämlich abrupte Varactor-Dioden und hyper-abrupte Varactor-Dioden.
Anwendungen
AFC-Schaltungen
Einstellbare Brücken-Schaltungen
Einstellbare Bandpass-Filter
Spannungs-gesteuerte Oszillatoren (VCOs)
RF-Phasenschieber
Frequenzvervielfacher
