دیود وارکتور (Varactor) چگونه کار میکند؟

دیود وارکتور (Varactor) یک دیود پیوند p-n با بایاس معکوس است که ظرفیت آن را می توان به صورت الکتریکی تغییر داد. در نتیجه به این دیودها با نام های واریکاپ، دیودهای تیونینگ، دیودهای خازن متغیر ولتاژ، دیودهای پارامتریک و دیودهای خازن متغیر نیز گفته می شود.

دیود وارکتور چیست؟

اثبات شده است که عملکرد اتصال p-n به بایاس اعمال شده بستگی دارد که می تواند از نظر مشخصه مستقیم یا معکوس باشد. همچنین مشاهده می شود که با افزایش ولتاژ در صورت بایاس مستقیم، دهانه ناحیه تخلیه در اتصال p-n کاهش می یابد.

از طرف دیگر، عرض ناحیه تخلیه با افزایش ولتاژ اعمال شده در سناریوی بایاس معکوس افزایش می یابد.

در چنین شرایطی، اتصال p-n را می توان مشابه خازن در نظر گرفت که در آن لایه های p و n نشان دهنده دو صفحه خازن هستند در حالی که منطقه تخلیه به عنوان دی الکتریک آن ها را از هم جدا می کند.

بنابراین می توان فرمول مورد استفاده برای محاسبه ظرفیت خازن صفحه موازی را حتی بر روی دیود وراکتور اعمال کرد.

فرمول دیود وارکتور

بیان ریاضی ظرفیت دیود وراکتور به صورت زیر ارائه می شود:

• C_j ظرفیت کل اتصال است.
• ε گذردهی مواد نیمه هادی است.
• A سطح مقطع محل اتصال است.
• d عرض ناحیه تخلیه است.

علاوه بر این، رابطه بین ظرفیت خازنی و ولتاژ بایاس معکوس به صورت زیر ارائه می شود:

• C_j ظرفیت دیود وارکتور است.
• C ظرفیت دیود وارکتور در حالت بدون بایاس است.
• K ثابت است که اغلب 1 در نظر گرفته می شود.
• V_b پتانسیل مانع (barrier) است.
• V_R ولتاژ معکوس اعمال شده است.
• m ثابت وابسته به مواد است.

این نشان می دهد که حداکثر فرکانس کاری مدار به مقاومت سری (R_s) و ظرفیت دیود بستگی دارد که می تواند به صورت ریاضی زیر ارائه شود:

بعلاوه ضریب کیفیت دیود وارکتور با معادله زیر نشان داده می شود:

که در آن، F و f به ترتیب نشان دهنده فرکانس قطع و فرکانس کاری هستند.

در نتیجه می توان گفت که ظرفیت دیود وارکتور را می توان با تغییر مقدار ولتاژ بایاس معکوس تغییر داد زیرا عرض ناحیه تخلیه یعنی d را تغییر می دهد. همچنین از معادله خازن مشهود است که d با C نسبت معکوس دارد. این به این معنی است که ظرفیت اتصال دیود وارکتور با افزایش عرض منطقه تخلیه کاهش می یابد که به دلیل افزایش ولتاژ بایاس معکوس (V_R) است. در عین حال توجه به این نکته مهم است که اگرچه همه دیودها دارای ویژگی مشابهی هستند، دیودهای وارکتور به طور ویژه برای دستیابی به هدف ساخته شده اند. به عبارت دیگر دیودهای وارکتور با هدف به دست آوردن یک منحنی C-V مشخص ساخته می شوند که می توان با کنترل سطح دوپینگ در طول فرآیند ساخت این مشخصه را به دست آورد. بسته به این موضوع دیودهای وارکتور را می توان به دو نوع بسته به اینکه دیود اتصال p-n به ترتیب دوپ شده باشد یا غیرخطی تقسیم کرد: یعنی دیودهای وارکتور ناگهانی و دیودهای وارکتور فوق ناگهانی.

کاربرد های دیود وارکتور

این دیودهای وارکتور سودمند هستند زیرا در مقایسه با دیودهای دیگر از نظر اندازه فشرده، اقتصادی، قابل اعتماد و کمتر مستعد نویز هستند. از این رو از آنها در موارد زیر استفاده می شود:

1. مدارهای تیونینگ به منظور جایگزینی سبک قدیمی تیونینگ خازن وارکتور رادیو FM
2. مدارهای کنترل از راه دور کوچک
3. مدارهای مخزن گیرنده یا فرستنده به منظور تیونینگ خودکار همچون تلویزیون
4. مدولاسیون سیگنال و دمودولاسیون.
5. ضرب کننده فرکانس مایکروویو به عنوان یک جزء از مدار تشدید LC
6. تقویت کننده های پارامتریک مایکروویو با نویز بسیار کم
7. مدارهای AFC
8. تیونینگ مدارهای پل
9. فیلترهای باند گذر قابل تیون شدن
10. نوسانگرهای ولتاژ کنترل شده (VCOs)
11. شیفترهای فاز RF
12. ضرب کننده های فرکانس