21 квітня 2026 року відбулося чергове засідання наукового гуртка здобувачів вищої освіти “Актуальні проблеми електроніки та електроенергетики” кафедри гідротехнічного будівництва, водної та електричної інженерії факультету архітектури та будівництва. Відповідно до плану роботи, з доповіддю на тему «Прогнозування величини добротності варикапа за значенням його електричних параметрів» виступив керівник наукового гуртка к.т.н., доцент Литвиненко В.М.

У своїй доповіді доповідач висвітлив наступні питання:

1. Загальні відомості про варикапи.

2. Дослідження залежності добротності варикапа від його напруги пробою.

3. Дослідження залежності добротності варикапа від величини коефіцієнта перекриття за ємністю.

Варикап - це напівпровідниковий діод, дія якого заснована на використанні залежності ємності від зворотної напруги і який призначений для застосування як елемент із електрично керованою ємністю. Як керована ємність використовується бар'єрна (зарядова) ємність р - n переходу.

          У виробництві варикапів, кожен тип приладу має кілька груп, що відрізняються добротністю - низькодобротні і високодобротні. Потреби в варикапах тієї чи іншої групи залежить від замовлень споживачів, які можуть змінюватися. Традиційно прогнозування добротності варикапів проводять за величиною питомого опору та товщиною шару епітаксіальної плівки. Але як показала практика виробництва варикапів, вихідні параметри епітаксіальної плівки (товщина та питомий опір) можуть неконтрольовано змінюватися від однієї партії пластин до іншої, тобто не мають фіксованих значень. Це призводить до значного розкиду величини добротності варикапів та зменшення виходу придатних приладів. Виходячи з цього, виникає необхідність проведення досліджень, спрямованих на знаходження зв'язку між окремими електричними параметрами варикапа та його добротністю. Це дозволить проводити прогнозування величини добротності варикапів на ранніх стадіях їх виготовлення.

Дослідження залежності добротності варикапа від величини його напруги пробою. Вважатимемо, що p-n перехід у нас плоский. Пробивна напруга плоского різкого p⁺-n переходу визначається за формулою:

де ρ_еп - питомий опір епітаксіального шару.

Як видно з формули (1), пробивна напруга варикапа залежить від величини питомого опору епітаксіального шару. При збільшенні зворотної напруги, що прикладається до варикапу, розширення області просторового заряду (ОПЗ) p+-n переходу d₁ зміщуватиметься у бік підкладки, зменшуючи товщину бази варикапа W_б (рис.1).

При відповідній величині зворотної напруги варикапа область просторового заряду d₁, розширюючись, з'єднається з областю "розмиття" W₁ (рис.1) межі розділу підкладка - епітаксіальна плівка, яка утворюється в результаті дифузії легуючої домішки з низькоомної підкладки в епітаксіальну плівку в процесі всіх високотемпературних операцій. Тому чим менша товщина епітаксіальної плівки, тим при меншій зворотній напрузі область просторового заряду d₁ з'єднається з областю "розмиття" W₁, де питомий опір плівки менше питомого опору бази варикапа. При цьому відповідно до формули (1) напруга пробою варикапу зменшиться. Оскільки добротність варикапа обернено пропорційно залежить від величини питомого опору і товщини епітаксіальної плівки, то очевидно, що зі збільшенням "розмиття" межі розділу підкладка - епітаксіальна плівка і зменшенням товщини бази величина добротності варикапа буде збільшуватися.

Дослідження залежності добротності варикапа від величини його напруги пробою, які були проведені на 205 пластинах, показали очевидну залежність значень добротності варикапа від напруги пробою (U_пр). При цьому низькі значення добротності відповідали високим значенням U_пр і навпаки. На рис. 2 наведена експериментальна залежність Q від U_пр.

З рис. 2 видно, що зі зменшенням величини напруги пробою добротність варикапа зростає і навпаки - добротність варикапа зменшується зі збільшенням напруги пробою.

Дослідження залежності величини добротності варикапа від коефіцієнта перекриття за ємністю. Коефіцієнт перекриття за ємністю К_с можна розрахувати за формулою:

де C_min – ємність варикапа при максимальному значенні зворотної напруги, що прикладається до приладу; C_mах – ємність варикапа при мінімальному значенні зворотної напруги, що прикладається до приладу.

Ємність варикапу розраховується за формулою:

де φ_к - контактна різниця потенціалів між р - і n - областями; е – заряд електрона; U_зв - напруга зворотного зміщення;  N_еп - концентрація  легуючої домішки в базі варикапу; ε₀, ε - діелектрична проникність, відповідно вакууму і кремнію.

Дослідження залежності добротності варикапа від величини коефіцієнта перекриття за ємністю було проведено на 230 пластинах. Проведені дослідження підтвердили припущення щодо залежності значень добротності варикапа від значень коефіцієнта перекриття за ємністю. Причому С_min, яка визначає величину К_с відповідно до формули (3), залежить від концентрації домішки в базі варикапа як і добротність варикапа, з урахуванням того, що ρ_еп ≈ 1/N_еп.

На рис. 3 наведена експериментальна залежність добротності варикапа від величини коефіцієнта перекриття за ємністю. Як видно із рис. 3, із зменшенням величини К_с добротність варикапу зростає, а при збільшенні – навпаки зменшується.

Розроблені графіки залежності величини добротності варикапа від величини його напруги пробою та коефіцієнта перекриття за ємністю можуть бути використані у виробництві варикапів для діагностики величини його добротності на ранніх стадіях виготовлення приладу. Це дозволить оптимальніше виконувати замовлення споживачів продукції. 

У засіданні наукового гуртка та обговорені запропонованих питань прийняли активну участь здобувачі 1-4 курсів та магістри першого року навчання, які навчаються за спеціальностями 141 електроенергетика, електротехніка та електромеханіка та G3 Електрична інженерія.

Автор: Литвиненко В.М. (21.04.26 р.)