Способ формирования перепадов тока
Иллюстрации
Реферат
Ф
ВВтФФ тi .О "те". " и:- -: =;.с ": я
О П
Союз Советских
Социалистических
Республик
< > 782702
ИЗО БР ЕТЕ Н И Я
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт, свид-ву— (22) Заявлено 16.07.79 (21) 2797868/18-25 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 15.05.82. Бюллетень № 18 (45) Дата опубликования описания 15.05.82 (51) М.Кл. Н 03 К 6/04
Н 01 L31/06
Гасударственный комитет
СССР ио делам изобретений и открытий (53) УДК 621.382 (088.8) (72) Авторы изобретения
И. В. Грехов, А. Ф. Кардо-Сысоев и Л. С. Костина
Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (71) Заявитель (54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕПАДОВ ТОКА
Изобретение относится к области полупроводниковой импульсной техники и может быть использовано для формирования перепадов тока большой амплитуды с субнаносекундным фронтом.
Известен способ формирования крутых субнаносекундных перепадов тока: пол упроводниковые диоды включают в искусственную длинную линию, а затем на эту линию подают импульс напряжения запирающей для диодов полярности (1).
Однако для формирования субнаносекундных препаратов тока время максвелловской релаксации в базе диода должно быть мало (меньше 10 — "с), т. е., база диода должна быть сильно легирована (концентрация легирующей примеси должна превышать 10 " см — ). Поэтому максимальное рабочее напряжение составляет величину в несколько десятков вольт, что ограничивает мощность, выделяемую в нагрузке.
Кроме того, этот способ требует большого числа активных элементов (диодов), что обусловливает сложность его реализации.
Значительно более простым и близким к изобретению по сущности является способ формирования крутых оубнаносекундных перепадов тока, использующий толыко один активный элемент — полупроводниковый диод, состоящий из р — п-перехода и базового слоя, в котором создается тормозящее поле при приложении импульсов напряжения (2).
Недостатком способа является то, что создание внутреннего тормозящего поля в базовом слое, осуществляемое путем создания градиента концентрации примесей в нем, приводит к сильному уменьшению напряжения пробоя р — n-перехода (как правило до 20 — 40 в), что резко ограничивает величину коммутируемой мощности. Кроме того, допустимая плотность тока в приво15 дящем направлении и, следовательно, величина накопленного заряда, ограничена необходимостью сохранения низкого уровня инжекции в базовом слое, а рабочая площадь и, следовательно, ток через при20 бор ограничены из-за большой удельной зарядной емкости низковольтного р — и-перехода.
Целью предлагаемого способа является
25 увеличение коммутируемой мощности.
Эта цель осуществляется тем, что к диоду, состоящему из р — n-перехода и базового слоя, прикладывают в запорном направлении постоянное смещение Uo, велико чину которого определяют из соотношения
78270.2 (У вЂ” U„) V, NW затем в том же направлении прикладывают нарастающий импульс напряжения, скорость нарастания которого V определяют из соотношения и в образовавшуюся перенапряженную область вводят свободные носители навстречу движению границы этой области при условии совпадения во время моментов достижения свободными носителями указанной области и достижения напряжения на диоде величины U, где U„— напряжение статического пробоя диода;
Π— заряд электр она; в,ао — диэлектрическая постоянная материала базовой области и ва,куума соответственно;
V, — насыщенная скорость дрейфа носителей в сильном поле в базовой области;
Уд — концентрация легирующей примеси в базовой области;
U — суммарное напряжение на диоде перед началом формирования перепадов тока;
W — ширина базовой области;
d "
V= — — скорость нарастания импульса
dt напряжения.
А= (1 — 6) н У= (1 — 5) — коэффициенты, зависящие от конструкции диода.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематично изображены р — и-переход 1, перенапряженная область 2, кривая распределения напряженности поля при постоянном смещении 3, распределение напряженности поля.при движении границы 003 4.
В основе предлагаемого способа лежат следующпе физические процессы.
При приложении к р — и-переходу 1 нарастающего импульса напряжения в запорном направлении образуется область обьемного заряда (003). Распределение напряженности поля в ней показано кривой
3. Когда суммарное приложенное напряжение превышает статическое напряжение пробоя U„, т. е. напряженность поля в области 2, прилетающей к р+и-переходу 1, превысит критическую величину Е,ч„попадание носителя в эту область вызывает лавинный пробой.
Развитие пробоя в области 2 идет очень быстро; эта область заполняется плазмой, поле в ней падает, а максимум поля смещается в сторну и+- контакта. Распре5
65 деление поля при этом показано кривой 4.
Когда граница сильного поля достигает и+-контакта, вся базовая область диода оказывается заполненной электронно-дырочной плазмой, напряжение на диоде падает, а ток в нагрузке возрастает, т. е. формируется перепад тока, Крутизна нарастания тока определяется, таким образом, скоростью движения границы сильного поля.
Если в процессе движения границы отсутствует непрерывный поток носителей справа из 003 в перенапряженную область, то пробой в ней вызывается носителями, поступающими слева из плазмы, и движение границы идет довольно медленно с насыщенной скоростью дрейфа V.,(V,=10" см/с для кремния). Если же имеется непрерывный поток носителей справа, со стороны слабого поля в базе, то пробой в движущейся перенапряженной области все время вызывается этими носителями, и ограничение на скорость движения границы снимается. Время развития лавинного пробоя в перенапряженной области т„= (V„u) —, где а — коэффициент ударной ионизации.
С ростом перенапряжения а возрастает экспоненциально, если, например, к диоду с напряжением статического пробоя 750 В приложить импульсное напряжение 150ОВ, то а=- 1,5 104 см, -„=10 "с, скорость движения фронта намного больше 1, и определяется лишь величиной перенапряжения. Поэтому базовая область диода заполняется плазмой очень быстро, и формируется очень крутой перепад тока. Этот процесс лежит в основе предлагаемого способа, согласно которому для формирования перепада тока к диоду прякладываюг сначала постоянное смещение в запорном направлении, затем импульс перенапряжения в том же направлении, после чего вводят в перенапряженную область носителя со стороны слабого поля в базовой области, Необходимость предварительного приложения постоянного смещения вызвана тем, что, если нарастающий импульс напряжения чачинается от нуля, то освобождающиеся при расширении 003 равновесные неосновные носители в большом количестве непрерывно пересекают плоскость р — и-перехода и лавипный пробой всей площади р — и-перехода ьачинается сразу же по достижении критической напряженности поля. B этих условиях создать перенапряженную область невозможно, так как нарастание тока вызывает увеличение напряжения на нагрузочном сопротивлении, что уменьшает напряжение на диоде и, следовательно, скорость роста тока так, что GKQрость нарастания напряжения на нагрузке становится равной скорости нарастания внешнего напряжения. Если же до приложения импульса перенапряжения на диоде имеется запорное смещение, и, следова782702 т О
1/ (А W О."-, 1 3
Зо
40
Скорость нарастания импульса перенапряжения V выбирается из следующих со- 45 ображений. В 003 всегда имеется некоторое количество носителей вследствие тепловой генерации. После того, когда напряжение на диоде достигает значения U„, эти носители, попадая в перенапряженную область, вызывают локальный пробой и образование плазменного канала, распространяющегося сквозь базовую область со скоростью V, Поэтому необходимо обеспечить такое V, чтобы напряжение на диоде 55 достигло требуемой величины U раньше, чем плазменные каналы начнут шунтировать базовую область, т. е. ст) 0) V Q
60 (U.Ip U ) V
Л W; и в образовавшуюся перенапряженную об55 ласть непрерывно вводят свободные носительно, в базовой области есть 003, то освобождающиеся носители достигают плюскости р — и-перехода 1 не сразу, а через время тз пролета 003. тз — — АWpppV, где
В Ооз — ширина 003 при постоянном смешении Up.,А — поправочный коэффициент, определяемый процессами на границе 003 с квазинейтральной частью базовой области. В наших экс.периментах А=1 — 6 в зависимости от конструкции образцов. Таким образом, создается задержка между током и напряжением, что дает возможность образовать перенапряженную область. Величина Up c верхней стороны ограничена статическим напряжением лавинного пробоя Up+ U.
Нижняя граница Up определяется тем обстоятельством, что освобождающиеся при расширении 003 носители должны попасть в перенапряженную область не раньше, чем напряжение на диоде достигнет требуемой величины У„„т. е. и для резкого р — и-перехода
Величина UÄÄ определяется, исходя из экспериментальной зависимости амплитуды перепада тока от U где U„— напряжение статического пробоя;
В и С вЂ” коэффициенты, зависящие от пар а метр ов диода и цепи. где N — коэффициент, зависящий от конструкции диода (N=1 — 5 в наших экспериментах).
Введение носителей в перенапряженную область может осуществляться различными способами при выполнении двух основных условий; носители должны достигать перенапряженной области одновременно с нарастанием приложенного напряжения до
U»„. носители должны непрерывно поступать в эту область в течение всего времени формирования перепада тока навстречу движению границы области.
Так, например, носители можно ввести импульсом света со стороны р — и-перехода. При этом длина волны света должна быть такой, чтобы характерная длина поглощения 1 была болыне И оо3 начало нарастания импульса совпадало с моментом нарастания приложенного напряжения до
U, а длительность импульса была больше или равна длительности процесса,формирования перепада тока.
Экспериментально была получена величина коммутируемой мощности
35 А 1,4 - 10 В=4,9 . 104 Вт с фронтом
0,3 нсек, что более чем на 4 порядка превышает коммутируемую мощность прототипа при одинаковом быстродействии. Полученные результаты не являются предельными, имеются возможности увеличения как коммутируемой мощности, так и быстродействия.
Предлагаемый способ может найти широкое применение в новейших радиолокационных системах, системах развертки сверхбыстродействующих ЭОП и осциллографах, в системах накачки лазеров.
Формула изобретения
Способ формирования перепадов тока с субнаносекундным фронтом с помощью полупроводникового диода, состоящего из р — n-перехода и базового слоя, путем приложения к этому диоду импульсов напряжения, отличающийся тем, что, с целью увеличения коммутируемой мощности, к диоду прикладывают в запорном направлении постоянное смещение Up величину которого определяют из соотношения: после чего в том же направлении прикладывают нарастающий импульс напряжения, скорость нарастания которого определяют из соотчошения
782702 ширина базовой области; скорость нарастания импульса
1» б
V=—
dt напряжения. коэффициент, зависящий от конструкции диода; коэффициент зависящий от конструкции диода.
А.= 1 — 6—
У=1 — 5—
Составитель О. Федюкпна
Техред И. Заболотнова Корректор И, Осиновскаь
Редактор И, Багирова
Заказ 450/419 Изд, Лги 148 Типаж 954 Подписное
НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам нвооретений и открытий
113035, Москва, i -35, Раушская»a6., д. 4/5
Тип, Харьк. фил. пред. «Патент» тели навстречу движению границы этой области.при условии совпадения во времени моментов достижения свободными носителями указанной области и достижения напряжения на диоде величины U, где U„— напряжение статического пробоя диода;
q — заряд электрона; в,ев — диэлектрическая проницаемость материала базовой области и вакуума, соответственно;
V, — насыщенная скорость движения носителей в сильном поле;
Na — концентрация легирующей примеси в базовой области;
U — суммарное напряжение на диоде перед началом формирования перепадов така;
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Богатырев Ю. К. Импульсные устройства с нелинейными распределительными параметрами. М., «Советское радио», 1974, с. 70.
2. New step the cavity diode MurowaveJournal v 8, № 3, 1965, р. 39 (прототип).