(中國(guó)工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川 綿陽 621900)

1 引 言

高功率小型化全固態(tài)高重頻高壓納秒脈沖源在軍用民用領(lǐng)域具有廣泛的前景，例如，超寬帶(UWB)雷達(dá)、超寬帶通信、電磁壓制干擾、激光制導(dǎo)引信、加速器物理、等離子體化學(xué)、煙氣除塵、臭氣控制、微生物鈍化處理、材料表面處理、高壓電力傳輸與開關(guān)控制等[1-2]。

高壓納秒脈沖源早期使用的開關(guān)，如火花隙氣體開關(guān)、磁開關(guān)、閘流管等，其特點(diǎn)是功率容量大、重復(fù)頻率低、開關(guān)速度慢、穩(wěn)定性差，難以滿足體積小、重量輕、全固態(tài)、重復(fù)頻率高、開關(guān)速度快、穩(wěn)定性高的要求。SOS(Semicondutor Opening Switch)開關(guān)雖然固態(tài)化，功率容量中等，但開關(guān)速度慢，重復(fù)頻率低，難以滿足小型超寬帶脈沖源對(duì)快脈沖前沿、高功率容量、高重復(fù)頻率要求。階躍快恢復(fù)二極管、雪崩管雖然具有開關(guān)速度快、工作頻率高、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但受器件工藝限制，高功率容量和壽命都受限。以上幾類開關(guān)既無法混合使用，使用時(shí)又無法互相取長(zhǎng)補(bǔ)短。國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和公司一直試圖通過各種技術(shù)手段解決這一問題，例如采用光導(dǎo)開關(guān)等，也因其高電壓大電流工作下工作壽命短、重復(fù)頻率低，使用受到局限，雖然這些技術(shù)有所發(fā)展，但都沒有達(dá)到所期望的結(jié)果。

本文結(jié)合該領(lǐng)域的最新研究成果和技術(shù)，即采用俄羅斯Igor F.Grekhov和Alexei Kardo-Sysoevs科學(xué)家在圣彼得堡約飛研究所(St.Petersburg of Russia Ioffe Institute)提出的基于快速離化波組件漂移階躍恢復(fù)二極管(Drift Step Recovery Diodes，DSRD )開關(guān)產(chǎn)生高壓高重頻納秒脈沖新方法[3]，給出了一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。該方法與傳統(tǒng)的高壓脈沖源MARX方法相比，具有較大技術(shù)突破和創(chuàng)新。用該方法和技術(shù)設(shè)計(jì)的全固態(tài)高重頻高壓納秒脈沖源具有全固態(tài)、高功率、高壓、高重頻、體積小、重量輕、長(zhǎng)壽命、高可靠等特點(diǎn)。1999年以后美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室也用此方法來代替光導(dǎo)開關(guān)研究高功率高壓超寬帶納秒脈沖產(chǎn)生。

2 DSRD技術(shù)參數(shù)及工作原理

2.1 DSRD技術(shù)參數(shù)

DSRD的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 DSRD技術(shù)參數(shù)Table 1 DSRD technical specifications

2.2 DSRD工作原理

DSRD是1998年俄羅斯I.V.Grekhov教授等發(fā)明的、基于新的等離子體離化波高壓納秒開關(guān)器件。I.V.Grekhov教授等在研究類似硅PIN二極管結(jié)構(gòu)時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)在反向高壓下會(huì)產(chǎn)生等離子體離化波現(xiàn)象，進(jìn)一步深入研究，發(fā)明了離化波理論，設(shè)計(jì)了多層PN結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件模型結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。該等離子效應(yīng)離化波理論的高壓半導(dǎo)體開關(guān)工作原理與傳統(tǒng)的高壓開關(guān)不同：首先，它具有復(fù)雜的多層PN結(jié)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)不同對(duì)高壓半導(dǎo)體開關(guān)性能有較大影響；其次，多層PN結(jié)結(jié)構(gòu)的每層摻雜濃度不同，也影響高壓半導(dǎo)體開關(guān)性能。該高壓開關(guān)主要依靠體內(nèi)PN結(jié)的自動(dòng)恢復(fù)來切斷電流的，在電流切斷瞬間，開關(guān)體內(nèi)的等離子體完全消失。

根據(jù)I.V.Grekhov教授等對(duì)類似硅PIN二極管結(jié)構(gòu)中發(fā)明的離化波理論研究，DSRD開關(guān)通/斷工作原理如圖1所示。

圖1 DSRD開關(guān)工作原理圖Fig.1 Working principle of DSRD switch

在t1時(shí)間段內(nèi)，流過開關(guān)的正向電流將電子-空隙等離子體注入開關(guān)的每層結(jié)構(gòu)，隨后，在t2時(shí)間段內(nèi)，由于電流方向逆轉(zhuǎn)，開關(guān)體內(nèi)的等離子體逐漸被消除。在t2時(shí)間段的初始時(shí)間內(nèi)，由于等離子體還沒有完全被消除，開關(guān)仍處于高電導(dǎo)率階段，因而其壓降很小(如圖1中虛線所示)。在t3時(shí)刻，開關(guān)體內(nèi)的PN結(jié)恢復(fù)反向阻斷特性，其空間電荷區(qū)的電壓迅速升高，流過開關(guān)電流被切斷，開關(guān)的電壓迅速增大。

基于一種新型等離子體離化效應(yīng)高壓全固態(tài)納秒開關(guān)特性，完成了一種DSRD核心開關(guān)器件研制，要求其在高功率條件下使用：脈沖電壓10 kV；脈沖電流100 mA;開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間短(前沿Tr<1 000 ps)；體積小(φ5×3.5 mm)。

DSRD開關(guān)性能如下：

(1)該高壓開關(guān)器件具有特殊四層兩端n-p-n-p結(jié)構(gòu)和特殊參雜濃度；

(2)峰值功率達(dá)幾十到幾百兆瓦；

(3)開關(guān)開啟時(shí)間為100～1 000 ps，且不依賴于加在它上的工作電壓和流過它的電流；

(4)工作電流超過10 kA時(shí)，電流上升率超過100 kA/ms。在50 Ω負(fù)載下，工作電流為500 A時(shí)，在0.2 ns的上升時(shí)間內(nèi)，電流上升率達(dá)到2 500 kA/ms。

下面給出一個(gè)設(shè)計(jì)舉例。DSRD主要技術(shù)參數(shù):直流工作電壓為10 kV/100 mA，正向開啟電壓為300 V/1 kA，脈沖電流為1 kA，脈沖寬度為1 ns，管子開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間前沿Tr<300 ps)，管子的電壓上升速率大于1010V/s，圓片結(jié)構(gòu)為φ5×3.5 mm，封裝形式為留出輸入、輸出焊接點(diǎn)。

一種新型等離子體離化效應(yīng)高壓全固態(tài)納秒開關(guān)如圖2所示。

圖2 一種快速離化波高壓半導(dǎo)體納秒開關(guān)(DSRD)Fig.2 A fast ionization wave high voltage semiconductor switch (DSRD)

2.3 DSRD超快速物理特性

當(dāng)一外加正向電流作用在DSRD的PN結(jié)上,其等離子體泵浦開始,載流子擴(kuò)散區(qū)域(Diffuse Region，DR)出現(xiàn)在PN結(jié)附近,該區(qū)域?qū)挾葹?/p>

Wd=Dτ

(1)

式中，D為擴(kuò)散系數(shù),τ為等離子體泵浦脈沖寬度。來自擴(kuò)散區(qū)域DR的漂移載流子進(jìn)入n層, 其飽和載流子速率VSCR為

(2)

式中，j為空間電荷區(qū)(SCR)擴(kuò)展達(dá)到的最大雪崩電流密度,q為電子電荷,Nd為N層涂料參雜濃度。

當(dāng)電流變化方向以相反方向泵浦時(shí)其載流子速率仍由式(2)決定。當(dāng)?shù)入x子體泵浦PN結(jié)空間電荷區(qū)SCR,空間電荷區(qū)SCR擴(kuò)展, SCR上電壓增加。SCR上電壓(雪崩電壓)上升速率du/dt理論最大值為

(3)

式中，WSCR為SCR寬度，VSCR為載流子速率，εr為相對(duì)介電常數(shù)。從式(2)、式(3)可以看出,DSRD上PN結(jié)發(fā)生快速延遲雪崩,高密度的雪崩倍增電流密度(j)出現(xiàn)在空間電荷區(qū)(SCR),致使SCR場(chǎng)強(qiáng)增加及擴(kuò)展邊緣,其PN結(jié)上產(chǎn)生了快速上升電壓du/dt。

2.4 DSRD的超快開關(guān)特性

當(dāng)DSRD的PN結(jié)等離子體泵浦空間電荷區(qū)(SCR)時(shí),其開啟時(shí)間ton稱作飛躍時(shí)間或者叫做開關(guān)時(shí)間,可以表示為

(4)

式(4)表明:DSRD的開關(guān)時(shí)間ton與WSCR成正比, 而WSCR與DSRD上的雪崩模塊電壓成正比。當(dāng)WSCR越寬,即能產(chǎn)生并承受更高電壓時(shí),ton所需更多開啟時(shí)間。當(dāng)雪崩產(chǎn)生載流子速率VSCR足夠高,ton所需更多開啟時(shí)間主要與VSCR有關(guān),WSCR退居起次要作用。

3 DSRD應(yīng)用實(shí)例

一種基于快速離化波高壓半導(dǎo)體開關(guān)的全固態(tài)高重頻高壓納秒脈沖源如圖3所示。

圖3 全固態(tài)高重頻高壓納秒脈沖源電路Fig.3 Circuit of all solid-state high PRF high voltage ns pulser

圖3所示電路在外觸發(fā)脈沖期間,開關(guān)管TW、TP導(dǎo)通給貯能電容CW、CP充電,CW、CP、LW、LP、LN中貯存能量,完成高功率超寬帶脈沖產(chǎn)生所要求的能量貯存。由于隔離二極管DS的隔離作用,開關(guān)管TW給CW、LW、LN的充電電流僅僅通過電感LW、LN。開關(guān)管TP給CP、LP、DSRD的充電電流在外觸發(fā)脈沖使開關(guān)TP導(dǎo)通期間,DSRD上的電流持續(xù)增加,即DSRD完成等離子體泵浦過程。當(dāng)開關(guān)管TW、TP斷開, LW、LP中電流iW、iP改變方向,開始在DSRD的靠近PN結(jié)參雜濃縮區(qū)抽取電子-空穴等離子體載流子,直到DSRD截止斷開為止,此時(shí)貯存在CW、LW、LN中能量快速轉(zhuǎn)移到負(fù)載RL上,并在負(fù)載RL上產(chǎn)生高壓超寬帶脈沖(UTRM、UTRN為外觸發(fā)脈沖, TW、TP為作開關(guān)用的開關(guān), CW、CP為貯能電容,T1、T2為輸入隔離變壓器,CW、LW、LN為貯能電感, DS為隔離二極管, DSRD為快速離化波開關(guān)二極管,RL為負(fù)載)。

一種全固態(tài)高重頻高壓納秒脈沖源主要技術(shù)指標(biāo)為：輸出功率為100 kW；脈沖寬度為1 ns；重復(fù)頻率為300 kHz；抖動(dòng)小于50 ps；尺寸為300 mm×300 mm×100 mm。圖4為全固態(tài)高重頻高壓納秒脈沖源輸出電壓波形。

圖4 全固態(tài)高重頻高壓納秒脈沖源輸出電壓波形Fig.4 Output voltage wave form of all solid-state high PRF high voltage ns pulser

4 結(jié) 論

本文利用近年來國(guó)內(nèi)外新開發(fā)的一種先進(jìn)的全固態(tài)、高壓、高功率半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)非固態(tài)高壓開關(guān)的缺點(diǎn)，研究了一種先進(jìn)快速離化波DSRD的開關(guān)特性及工作原理，結(jié)合全固態(tài)高重頻高壓納秒脈沖源設(shè)計(jì)要求及其全固態(tài)、高功率輸出、高電壓、高重頻、體積小、重量輕等特點(diǎn),提出了一種先進(jìn)全固態(tài)高重頻高壓納秒脈沖源電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。該設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的MARX方法相比,其高壓納秒脈沖源綜合技術(shù)指標(biāo)有較大提高，并且該研究方法與研究方向具有較大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

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