배리캡

배리캡 다이오드(varicap diode), 버랙터 다이오드(varactor diode), 가변 정전 용량 다이오드(variable capacitance diode), 가변 반응저항 다이오드(variable reactance diode) 또는 튜닝 다이오드(tuning diode)는 역방향 바이어스된 PN 접합의 전압 의존적 전기 용량을 활용하도록 설계된 다이오드의 일종이다.^[1]

배리캡 다이오드
종류	수동소자
최초 도입	1967
핀 구성	애노드 및 캐소드
전기 기호

응용 분야

버랙터는 전압 제어 축전기로 사용된다. 주로 전압 제어 발진기, 파라메트릭 증폭기, 주파수 체배기에 사용된다.^[2] 전압 제어 발진기는 FM 송신기의 주파수 변조 및 위상동기회로와 같은 다양한 응용 분야를 가지고 있다. 위상동기회로는 많은 라디오, 텔레비전 수상기, 휴대 전화를 튜닝하는 주파수 합성기에 사용된다.

배리캡은 1961년 6월 장치 특허를 받은 라모 울드리지(Ramo Wooldridge) 기업의 퍼시픽 세미컨덕터(Pacific Semiconductor) 자회사에서 개발했다.^[3] 이 장치 이름은 1967년 10월 퍼시픽 세미컨덕터의 후신인 TRW 세미컨덕터에 의해 "바리캡"으로 상표 등록되었다. 이는 이 장치가 사용되면서 다른 이름이 붙게 된 이유를 설명하는 데 도움이 된다.

작동

배리캡의 작동. 양공은 파란색, 전자는 빨간색, 공핍 영역은 흰색이다. 전극은 위와 아래에 있다.

버랙터는 역방향 바이어스 상태에서 작동하므로 장치를 통해 DC 전류가 흐르지 않는다. 역방향 바이어스 양은 공핍 영역의 두께를 제어하며, 이에 따라 버랙터의 접합 정전 용량을 제어한다. 정전 용량 변화 특성은 도핑 프로파일에 따라 달라진다. 일반적으로 급준 접합 프로파일의 경우 공핍 영역 두께는 인가 전압의 제곱근에 비례하고, 전기 용량은 공핍 영역 두께에 반비례한다. 따라서 정전 용량은 인가 전압의 제곱근에 반비례한다. 초급준 접합 프로파일의 경우 정전 용량 변화는 더욱 비선형적이지만, 초급준 배리캡은 더 큰 정전 용량 변화를 가지며 낮은 전압에서 작동할 수 있다.

모든 다이오드는 이러한 가변 접합 정전 용량을 나타내지만, 배리캡은 이 효과를 활용하고 정전 용량 변화를 늘리기 위해 제조된다.

이 그림은 p-n 접합으로 형성된 공핍층을 가진 버랙터 단면의 예시를 보여준다. 이 공핍층은 MOS 또는 쇼트키 다이오드로도 만들 수 있다. 이는 CMOS 및 MMIC 기술에서 중요하다.

회로에서의 사용

튜닝 회로

일반적으로 회로에서 배리캡 다이오드를 사용하려면 기존의 정전 용량이나 유도자와 병렬로 연결하는 등, 동조 회로에 연결해야 한다.^[4] 배리캡의 정전 용량을 변경하기 위해 역방향 바이어스로 DC 전압이 인가된다. DC 바이어스 전압은 동조 회로에 유입되지 않도록 차단되어야 한다. 이는 배리캡 다이오드의 최대 정전 용량보다 약 100배 큰 정전 용량을 가진 DC 차단 축전기를 직렬로 연결하고, 배리캡 캐소드와 차단 축전기 사이의 노드에 고임피던스 소스에서 DC를 인가함으로써 달성할 수 있으며, 첨부된 다이어그램의 왼쪽 상단 회로에 나와 있다.

배리캡을 사용한 회로 예시

배리캡에는 상당한 DC 전류가 흐르지 않으므로, 캐소드를 DC 제어 전압 저항에 다시 연결하는 저항 값은 22 kΩ에서 150 kΩ 범위에 있을 수 있으며, 차단 축전기는 5–100 nF 범위에 있을 수 있다. 때때로, 매우 높은 Q를 가진 동조 회로의 경우, 제어 전압의 소스 임피던스를 높여 동조 회로에 부하를 주지 않고 Q를 감소시키지 않기 위해 저항과 직렬로 유도자가 배치된다.

또 다른 일반적인 구성은 두 개의 배리캡 다이오드를 역방향(애노드-애노드)으로 연결하는 것이다. (다이어그램의 왼쪽 하단 회로 참조) 두 번째 배리캡은 첫 번째 회로의 차단 축전기를 효과적으로 대체한다. 이로 인해 전체 정전 용량과 정전 용량 범위가 절반으로 줄어들지만, 각 장치에 걸리는 AC 전압 성분을 줄이고 AC 성분이 배리캡을 순방향 전도로 바이어스할 만큼 충분한 진폭을 가질 경우 대칭적인 왜곡을 줄이는 이점이 있다.

배리캡으로 튜닝 회로를 설계할 때, 신호를 왜곡하고 고조파를 추가할 수 있는 다이오드 정전 용량을 너무 많이 변경하는 것을 방지하기 위해 배리캡에 걸리는 AC 전압 성분을 최소 수준으로 유지하는 것이 일반적으로 좋은 관행이다(일반적으로 피크 대 피크 100 mV 미만).

다이어그램 오른쪽 상단의 세 번째 회로는 두 개의 직렬 연결된 배리캡과 별도의 DC 및 AC 신호 접지 연결을 사용한다. DC 접지는 전통적인 접지 기호로 표시되고, AC 접지는 열린 삼각형으로 표시된다. 접지 분리는 (i) 저주파 접지 노드에서 고주파 방사를 방지하고, (ii) AC 접지 노드의 DC 전류가 배리캡 및 트랜지스터와 같은 활성 장치의 바이어스 및 작동 지점을 변경하는 것을 방지하기 위해 종종 수행된다.

이러한 회로 구성은 텔레비전 튜너와 전자적으로 튜닝되는 방송 AM 및 FM 수신기, 기타 통신 장비 및 산업 장비에서 매우 일반적이다. 초기 배리캡 다이오드는 완전한 정전 용량 범위(약 1–10 pF)를 얻기 위해 일반적으로 0–33 V의 역전압 범위를 필요로 했지만, 여전히 매우 작았다. 이러한 유형은 캐리어 주파수가 높아서 작은 정전 용량 변화만 필요한 텔레비전 튜너에서 광범위하게 사용되었으며, 지금도 그러하다.

시간이 지남에 따라 0–5 V 또는 0–12 V와 같은 비교적 작은 역 바이어스 변화로 100–500 pF의 넓은 정전 용량 범위를 나타내는 배리캡 다이오드가 개발되었다. 이러한 새로운 장치는 전자적으로 튜닝되는 AM 방송 수신기를 구현할 수 있게 했으며, 일반적으로 10 MHz 미만의 낮은 주파수에서 큰 정전 용량 변화를 요구하는 수많은 다른 기능도 가능하게 했다. 소매점에서 사용되는 일부 전자 보안 태그 리더 설계는 전압 제어 발진기에 이러한 고용량 배리캡을 필요로 한다.

배리캡이 강조된 호주 시장 밴드 I-III-U 텔레비전 튜너

배리캡이 강조된 소비자용 AM-FM 방송 튜너

페이지 상단에 묘사된 세 개의 리드를 가진 장치들은 일반적으로 단일 패키지에 공통 캐소드로 연결된 두 개의 배리캡이다. 오른쪽의 소비자용 AM/FM 튜너에 묘사된 대로, 단일 이중 패키지 배리캡 다이오드는 탱크 회로(주요 방송국 선택기)의 통과 대역과 국부 발진기를 각각의 단일 배리캡으로 조절한다. 이는 비용 절감을 위해 수행된다. 두 개의 이중 패키지(하나는 탱크용, 하나는 발진기용)를 사용하여 총 네 개의 다이오드를 사용할 수도 있었으며, 이는 LA1851N AM 라디오 칩의 응용 데이터에 묘사된 바와 같다. FM 섹션(약 백 배 높은 주파수에서 작동)에 사용되는 두 개의 저용량 이중 버랙터는 빨간색 화살표로 강조되어 있다. 이 경우 탱크/대역 통과 필터용 이중 패키지와 국부 발진기용 이중 패키지를 통해 네 개의 다이오드가 사용된다.

고조파 곱셈

고조파 곱셈과 같은 일부 응용 분야에서는, 신호 속도에 따라 정전 용량을 의도적으로 변화시켜 고조파를 생성하기 위해 배리캡에 큰 신호 진폭 교류 전압이 인가되며, 이는 필터링을 통해 추출된다. 충분한 진폭의 사인파 전류가 배리캡을 통해 흐르면, 결과 전압은 더 삼각형 모양으로 "뾰족해지고" 홀수 고조파가 생성된다.

이것은 적절한 트랜지스터가 이 더 높은 주파수에서 작동하도록 개발되기 전에 3–400 MHz 주파수에서 약 20와트에서 1–5와트의 중간 전력, 1–2 GHz의 마이크로파 주파수를 생성하는 데 사용된 초기 방법 중 하나였다. 이 기술은 가장 빠른 GaAs 트랜지스터조차도 여전히 부적합한 100 GHz – 1 THz 범위의 훨씬 더 높은 주파수를 생성하는 데 여전히 사용된다.

배리캡 다이오드 대체품

모든 반도체 접합 장치는 이 효과를 나타내므로 배리캡으로 사용될 수 있지만, 그 특성이 제어되지 않고 배치마다 크게 다를 수 있다.

널리 사용되는 임시 배리캡에는 LED,^[5] 1N400X 시리즈 정류 다이오드,^[6] 쇼트키 정류기, 그리고 컬렉터-베이스 접합이 역방향 바이어스된 다양한 트랜지스터가 포함된다.^[7] 특히 2N2222 및 BC547이 그러하다. 트랜지스터의 이미터-베이스 접합을 역방향 바이어스하는 것도 AC 진폭이 작은 한 매우 효과적이다. 최대 역방향 바이어스 전압은 일반적으로 애벌랜치 과정이 시작되어 전도되기 전까지 5V에서 7V 사이이다. 접합 면적이 더 큰 고전류 장치는 더 높은 정전 용량을 가지는 경향이 있다. 필립스 BA 102 배리캡과 일반적인 제너 다이오드인 1N5408은 접합 정전 용량에서 유사한 변화를 나타내지만, BA 102는 접합 정전 용량과 관련하여 지정된 특성 세트를 가지며(1N5408은 그렇지 않다) 1N5408의 "Q"는 더 작다.

배리캡 개발 전에는 제2차 세계 대전 독일의 스펙트럼 애널라이저와 같은 장비의 VCO 및 필터에서 전기적으로 제어 가능한 반응저항으로 모터 구동 가변 축전기 또는 포화 반응기가 사용되었다.

같이 보기

• 헤테로구조 장벽 버랙터는 가변 정전 용량을 가진 대칭 반도체 장치이다.
• 강유전체 축전기는 히스테리시스 효과로 인해 가변 정전 용량을 가진다.
• 확산 정전 용량