[電子電路]變容二極體介紹(1)_Varactor diode(1)

 [電子電路]變容二極體介紹(1)_Varactor Diode(1)

變容二極體(varactor diode)，中文翻譯很清楚明瞭，就是這個二極體的內部電容性會依偏壓的改變而改變動。一般常看到的英文有varactor diode或tuning diode，不管中英文，都可以從字義中看出變容二極體中特性可調或可變動的性質。

以下是變容二極體常見的電路符號，通常是在負極(Cathode)端，加上一個代表電容的一組平行線。這樣的符號可以清楚的表達變容二極體的特性，就像是一個二極體加上一個可變電容的結合。

 變容二極體的偏壓時的電壓及電流特性就和一般的二極體一樣，如圖。當順偏電壓大於臨界電壓Vth (約0.7V)時，則二極體內部電阻很小，整個二極體接近於導通的狀態。當逆偏電壓大於崩潰電壓Vb時，則二極體也會有大量的逆向電流。

從變容二極體的物理結構中，可以分析其電容特性的產生及變化。變容二極體可以看成是一個PN介面(PN junction)，當在此PN介面上加一逆向電壓，則P中的電洞會被吸引到電源的負極，而N中的電子會被吸引到電源的正極，此一來，在此PN介面的中間則會產生一個沒有電洞也沒有電子的區域，稱之為空乏區，此空乏區的寬度會隨著逆向電壓的變化而變化。當逆向電壓變大，則空乏區的寬度會變大，造成此變容二極體的電容量變小。當減小逆向電壓，則空乏區的寬度會變小，造成此變容二極體的電容量變大。利用這樣的特性，就可以利用電壓來控制變容二極體的電容大小。

了解變容二極體的原理之後，可以將變容二極體等效成以下的電路模型。Lp為因零件封裝(package)所造成的寄生電感，Cp為零件封裝所造成的寄生電容(Cp)，Cj(v)為PN介面(junction)因逆偏電壓所造成的電容特性，Cj(v)是逆偏電壓V的函數。Rs(v)則是逆偏電壓所造成的的電阻特性，Rs(v)也是逆偏電壓V的函數。

在選擇變容二極體時，有幾個關鍵參數需要注意。
1.     逆向崩潰電壓及逆向漏電流
2.     電容值及電容對電壓特性
3.     電容值對溫度變化的特性
4.     品質參數
5.     封裝

逆向崩潰電壓及逆向漏電流

電容值及電容對電壓特性
變容二極體由外加逆向偏壓而造成電容量的變更，可以描繪出電壓對應於電容的特性圖，如下圖。其中電容及電壓值均取對數值，則此特性曲線的斜率為稱之為此變容二極體的Gamma值。變容二極體的gamma值約為0.5或0.47，一般稱之為陡峭型變容二極體(abrupt varactor diode)。其中Φ為變容二極體內部的電位值。若是矽(silicon)材料製成的變容二極體，Φ值約為0.7V，而使用鎵(gallium)材料製成的變容二極體，Φ值約為1.3V。還有一些gamma值大於0.5的變容二極體，會被稱之為超陡峭型變容二極體(hyperabrupt varactor diode)。

電容值對溫度變化的特性

變容二極體的電容量是隨著溫度上升而增加，隨著溫度下降而降低。一般是使用每變化一度攝氏溫度而改變的電容值，單位為ppm。以下是個常用的電容值及溫度的經驗關係式。陡峭型變容二極體的K值一般是取2300，而超陡峭型變容二極體的K值一般是取1700。
由此關係式，可以推論出通常gamma越高，則電容值對於溫度的變化越敏感。且超陡峭型變容二極體的電容值對於溫度的變化也會比陡峭型變容二極體更敏感。

品質參數
品質參數就是一般所說的Q值，定義為儲存能量與散失能量的比值，越大越好。Q值最直接會影響到變容二極體的操作頻率，越高的Q值就代表越少的能量散失。

                                Q=Energy Stored / Energy Dissipated

封裝
越小的封裝通常有較小的寄生電感(Lp)及寄生電容(Cp)

變容二極體可以利用外加的電壓來控制電容量大小，常見的應用多為調相(phase)、調頻(frequency)及諧調(tuning)電路。