Varactor

Ein Varactor ist eine Halbleiterdiode, die gezielt so ausgelegt ist, dass sich ihre Sperrschicht-Kapazität mit der angelegten Sperrspannung ändert. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Gleichrichterdioden, bei denen die Kapazität ein lästiger Nebeneffekt ist, macht ein Varactor dieses spannungsabhängige Verhalten zur Hauptfunktion. Das Bauteil arbeitet als spannungsgesteuerter Kondensator ohne bewegliche Teile und mit Reaktionszeiten im Nanosekunden-Bereich.

Der Effekt entsteht in der Sperrschicht an der p-n-Grenzfläche. Mit steigender Sperrspannung wächst die Breite der Sperrschicht und die Kapazität fällt ab. Typische Varaktoren erreichen ein Kapazitätsverhältnis von 5:1 bis 10:1 oder mehr über ihren Arbeitsbereich. Silizium-Varaktoren arbeiten üblicherweise von 2 Volt bis 30 Volt Sperrspannung und liefern Kapazitätswerte von wenigen Pikofarad bis zu mehreren hundert Pikofarad, je nach Dotierungsprofil und Grenzflächengeometrie. Die Beziehung zwischen Spannung und Kapazität ist nicht linear, sondern folgt einem Potenzgesetz: C = K / (V + φ)n, wobei n zwischen 0,33 und 0,5 liegt, je nach Dotierungstyp.

Die Hochfrequenz-Abstimmung ist die klassische Anwendung. Ein Varactor parallel zu einer Spule bildet einen spannungsgesteuerten LC-Schwingkreis und ermöglicht Frequenzabstimmung ohne mechanische Kondensatorgruppen oder Schrittmotoren. Phase-Locked-Loops und Frequenzsynthesizer verlassen sich auf Varactor-Abstimmung für stabile, elektronisch gesteuerte Oszillatoren. Im Mikrowellen- und UHF-Bereich ermöglichen Varaktoren schnelle Frequenzumschaltung und Strahlenlenkung in Phasenarrays. Parametrische Verstärker nutzen die nichtlineare Reaktanz zur Signalverstärkung mit minimalem Rauschen.

Häufige Ausfallmuster und Kompromisse

Temperaturabweichung ist ein ständiges Problem: Die Kapazität ändert sich typischerweise um 0,2% bis 0,5% pro Grad Celsius. Grenzflächendurchbruch bei übermäßiger Sperrspannung ist destruktiv und dauerhaft. Der Seriewiderstand, obwohl klein (normalerweise 1 bis 10 Ohm), begrenzt den Gütefaktor und verursacht Verluste bei hohen Frequenzen. Frequenzschiebung, bei der sich die Oszillatorausgabe unter Laständerung verschiebt, erfordert sorgfältiges Schaltungsdesign. Der Leckstrom steigt nahe dem Durchbruch steil an und verschlechtert die Empfindlichkeit in empfindlichen Detektoren.

Varaktoren gibt es als Ein-Grenzflächen- und Multi-Grenzflächen-Varianten; das Stapeln mehrerer Grenzflächen in Reihe ermöglicht höhere Spannungsfestigkeiten auf Kosten niedrigerer Kapazität. Abrupt-Varaktoren (mit Stufengrenzflächen) bieten steilere Spannungsabhängigkeit; Hyperabrupt-Typen verschieben den Exponenten gegen 0,33, nützlich zum Linearisieren der Abstimmspannung. Der Name leitet sich von variable reactor ab, wobei die moderne Terminologie teilweise variable capacitance diode bevorzugt, aber Varactor bleibt der Standard in der Frequenzregelung und Hochfrequenztechnik.