变容二极管工作原理、符号和应用特点

二极管是一种电子元件，有两个端子，只允许电流沿一个方向流动。在这两个端子中，一个端子连接到p型半导体材料并且另一端子连接到n型半导体。

根据用于构建二极管的物理结构和半导体材料的类型，使得许多不同类型的二极管变体成为可能。它们的范围从具有光学特性的二极管（如光电二极管、LED、激光二极管等）到整流器、齐纳二极管和隧道二极管等。

在本文当中，小编将简单介绍这样的一种二极管变体 —— 变容二极管。

变容二极管的概念

变容二极管是一种半导体微波固态器件，主要应用是涉及通过控制电压来实现可变电容的场合，这些二极管也被称为调谐二极管。它是一种pn结二极管，在其两端的反向偏置电压变化时充当可变电容器。

简单来说，变容二极管是一种特殊设计的半导体二极管，其pn半导体结处的电容随着施加在其端子上的电压的变化而变化。又因为它是一种可以充当可变电容的二极管，所以简称变容二极管。

变容二极管主要用于代替需要机械操作来改变电容值的可变电容器。变容二极管的一个优点是电容可以通过改变其两端的电压来改变。

变容二极管的三种常见符号如下图所示：

在变容二极管的这三个符号中，第二个符号使用得比较频繁。它是一个pn结二极管和一个电容器的组合符号。在符号中，三角形表示存在二极管组件，三角形尖端的两条线表示电容器的平行板。

变容二极管的结构

变容二极管由夹在一起的p型和n型半导体层组成，n型层连接到台面（台形）结构。镀金钼螺柱通过台面结构连接到n型层，并用作阴极端子。

p型层通过金线连接到另一个镀金钼螺柱（用作阳极）。除了部分钼螺柱外，整个装置都封装在陶瓷层中。 

变容二极管的p型和n型层由硅或砷化镓组成，具体取决于其使用的应用类型。对于低频应用，使用硅，对于高频应用，使用砷化镓。

对于传统的二极管，p型和n型半导体层均匀掺杂杂质以提高导电性。但在变容二极管的情况下，pn结附近的杂质浓度非常少，并且随着我们向层的另一个表面移动，杂质浓度会逐渐增加。

变容二极管工作原理

众所周知，电容器由两个由非导电电介质隔开的导电表面组成（见下图）。当一个表面连接到正电压而另一个表面连接到负电压时，由于正负载流子之间的吸引力，正电荷在一个表面上积累，而负电荷在另一个表面上积累。

积累的电荷量称为电容。如果减小两个表面之间的间隙，正负电荷载流子之间的吸引力会增加，因此更多的电荷会积聚在表面上，即电容会增加。

当表面彼此远离时发生相反的情况，即电容减小。可变电容器具有机械布置，允许我们改变表面之间的间隙，从而有效地改变电容。

现在来看看pn结二极管的工作原理。二极管的p型层充满正电荷载流子，n型层充满负电荷载流子。在两层之间的接触表面附近，正电荷和负电荷相互扩散和中和。这个区域被称为耗尽区。

除非施加外部电压，否则电荷载流子不可能通过耗尽层进一步扩散。因此，耗尽层有效地充当绝缘体。

耗尽层的宽度取决于施加在p和n型层上的电压。如果施加正向偏压，即向p型层施加正电压，向n型层施加负电压，耗尽区的宽度减小，并且在一定电压之上它完全消失。如果施加反向偏压，即对n型层施加正电压，对p型层施加负电压，则耗尽层的宽度会增加。下图说明了这两种情况：

简而言之，只需调整p和n型半导体层两端的电压，即可将耗尽区的宽度更改为所需的值。或许你已经观察到，电容器和反向偏置二极管之间的相似之处。二极管中的耗尽层类似于电容器中的电介质，它充当绝缘体并防止电荷载流子从一侧流向另一侧。

因此，当在二极管两端施加反向偏压时，相应的电荷载流子会在耗尽层的任一侧积累。这使得二极管获得一些电容，称为结电容。另外，变容二极管专门设计用于在施加反向偏压时增强这种存储电荷载流子的能力，从而使其可以充当电容器。 

结电容与耗尽层的宽度成反比，即耗尽层的宽度越小，电容越大，反之亦然。因此，如果需要增加变容二极管的电容，则应降低反向偏置电压。它导致耗尽层的宽度减小，从而导致更高的电容。类似地增加反向偏置电压应该减小电容。

与普通可变电容器相比，这种仅通过改变施加的电压即可获得不同电容值的能力是变容二极管的最大优势。

变容二极管的特性

下图说明了变容二极管的p型和n型层的反向偏置电压大小与结电容大小之间的关系：

可以观察到变容二极管的结电容与反向偏置电压成反比。另外，由于杂质添加到p型和n型层的方式不同，变容二极管的电容总是高于传统二极管的电容。

变容二极管的结电容的确切大小是根据零偏置条件下的电容 (C J )、正向偏置电压（完全去除耗尽层所需的电压V B）和实际的反向偏置电压 (V R ) 施加在结上。它由以下公式给出：

C J = C 0 (1 + V R /V B ) -n

“n”是一个常数，并根据p型和n型层的掺杂方式而变化。它的值介于 (0.5 – 0.33) 之间。反向偏置电压（V R）的值应低于击穿电压，高于该值电容C J的值为零，因为耗尽区的击穿和空穴和电子的自由流动。

变容二极管等效电路

为了设计使用变容二极管特性的电路，首先需要分解其电气特性，并可视化具有电阻、电容和电感等基本元件的等效电路。下图显示了在反向偏置条件下工作时变容二极管的近似等效电路。 

R R 是反向偏置电阻，R G是变容二极管的几何电阻。C J是取决于反向偏置电压的结电容。L F是有效电感，它取决于变容二极管应该工作的频率限制。

变容二极管的应用

由于电容随电压变化而变化的特殊性质，变容二极管多用于频率调制或调谐电路中，电容的值决定输出调制频率。其他一些应用包括：

• 自动频率控制器 (AFC)
• 超高频电视机
• 高频收音机
• 倍频器
• 带通滤波器
• 谐波发生器

应用示例：压控振荡器

考虑使用变容二极管'D1'设计的VCO电路，如图所示。可以通过改变'D1'二极管来允许振荡器。电容C1用于阻止变容二极管的反向偏置，也忽略了二极管通过电感短路。可以通过R1电阻（隔离串联电阻）施加偏置来调整二极管。

总结

简单来说，变容二级管就是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成。反偏电压增大时结电容减小、反之结电容增大，变容二极管的电容量一般较小，其最大值为几十pF到几百pF，最大电容与最小电容之比约为5:1。

变容二级管主要在高频电路中用作自动调谐、调频、调相等、其应用范围也是非常的广泛。