Способ формирования перепадов тока

О П Союз Советских Социалистических Республик(и)782702 ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(43) Опубликовано 15.05.82 Государственны комитет СССР ио делам изобретений и открытий. В, Грех Ордена Лен 71) Заявитель(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕПАД А 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; полупроводниковые диоды включают в искусственную длинную линию, а затем на эту линию подают импульс напряжения запирающей для диодов полярности Ц.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 субнаносекундных 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 на пряжения 121.Недостатком способа является то, чтосоздание внутреннего тормозящего поля в базовом слое, осуществляемое путем создания градиента концентрации примесей в нем, приводит к сильному уменьшению напряжения пробоя р - а-перехода (как правило до 20 - 40 в), что резко ограничивает величину коммутируемой мощности. Кроме того, допустимая плотность тока в приво дящем направлении и, следовательно, величина накопленного заряда, ограничена необходимостью сохранения низкого уровня инжекции в базовом слое, а рабочая площадь и, следовательно, ток через при бор ограничены из-за большой удельнойзарядной емкости низковольтного р - и-перехода. Целью предлагаемого способа является увеличение коммутируемой мощности.Эта цель осуществляется тем, что к диоду, состоящему из р - и-перехода и базового слоя, прикладывают в запорном направлении постоянное смещение Ус, величину которого определяют из соотношениязатем в том же направлении прикладывают нарастающий импульс напряжения, скорость нарастания которого 1 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 У ,где У - напряжение статического про,боя диода;д - заряд электрона;в,в, - диэлектрическая постоянная материала базовой области и ва,куума соответственно;1, - насыщенная скорость дрейфаносителей в сильном поле в базовой области;У - концентрация легирующей примеси в базовой области;У, - суммарное напряжение на диоде перед началом формирования перепадов тока;5 - ширина базовой области;ИlР= -- скорость нарастания импульсай напряжения.А= (1 - 6) ц 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 У, т, е. напряженность поля в области 2, прилетающей к р+и-переходу 1, превысит критическую величину Е,чпопадание 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, Распре 5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 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 Р(,= 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= (Ъ,а) - , где а - коэффициент ударной ионизации.С ростом перенапряжения а возрастает экспоненциально, если, например, к диоду с напряжением статическото пробоя 750 В приложить импульсное напряжение 1500 В, 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 првкладываюг 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 прило. жения постоянного смещения вызвана тем, что, если нарастающий импульс напряжения чачинается от нуля, то освобождающиеся при расширении 003 равновесные не- основные носители в большом количестве непрерывно пересекают плоскость р - и-перехода и давильный пробой всей площади р - и-перехода ьачинается сразу же подостижении критической напряженности поля. В 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 скорость нарастания напряжения на нагрузке становится равной скорости нарастания внешнего напряжения. Если же до приложения импульса перенапряжения на диоде имеется запорное смещение, и, следова782702 тельно, в базовой области есть 003, то освобождающиеся носители достигают плюс- кости р - и-перехода 1 не сразу, а через время тз пролета 003. тз=А иоозУ, , где ф ооз - ширина 003 при постоянном смешении Уо; А - поправочный коэффициент, определяемый процессами на границе 003 с квазинейтральной частью базовой области, В наших экс.периментах А=1 - 6 в зависимости от 10 конструкции образцов. Таким образом, создается задержка между током и напряжением, что дает возможность образовать перенапряженную область, Величина Уо с верхней стороны ограничена статическим напряжением лавинного пробоя УоУ. Нижняя граница Уо определяется тем обстоятельством, что освобождающиеся при расширении 003 носители должны попасть в перенапряженную область не раньше, чем напряжение на диоде достигнет требуемой величины Ут. е. 25 Зо 35 40 Скорость нарастания импульса перенапряжения У выбирается из следующих со ображений. В 003 всегда имеется некоторое количество носителей вследствие тепловой генерации. После того, когда напряжение на диоде достигает значения У, эти носители, попадая в перенапряженную 50 область, вызывают локальный пробой и образование плазменного канала, распространяющегося сквозь базовую область со скоростью 1,. Поэтому необходимо обеспечить такое Р, чтобы напряжение на диоде 55 достигло требуемой величины У раньше, чем плазменные каналы начнут шунтировать оазовую область, т. е. ст) о) /я Л( т с( у уи в образовавшуюся перенапряженную об 55 ласть непрерывно вводят свободные носии для резкого р - и-перехода Величина Ь определяется, исходя из экспериментальной зависимости амплитуды перепада тока от У где У - напряжение статического пробоя;В и С - коэффициенты, зависящие от параметров диода и цепи,где У - коэффициент, зависящий от конструкции диода (0=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 У,; носители должны непрерывно поступать в эту область в течение всего времени формирования перепада тока навстречу движению гранвцы 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 Рооз, начало нарастания импульса совпадало с моментом нарастания приложенного напряжения до У, 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 - и-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 Уо величину которого определяют из соотношения; после чего в том же направлении прикладывают нарастающий импульс напряжения,скорость нарастания которого определяютиз соотчошения782702 А.= 1 - б -У=1 - 5 -Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе:1, Богатырев Ю. К. Импульсные устройства с нелинейными распределительными 15 параметрами. М., Советское радио, 1974,с. 70.2. Хеч з 1 ер йе сач 11 у йоде Мцгоюаче .Зоцгпа 1 ч 8,3, 1965, р. 39 (прототип). вз. Федюкпнаолотнова Корректор И, Осиновскав Составительехред И. 3 Ред акт Багиров Изд, ЛЪ 148 Тираж 954сударственного комитета СССР по делам нзо 113035, Москва, МС, Раушская наб., д. 4/5 Подписноетений и открытий Заказ 450/419НПО Поиск 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 У, где У - напряжение статического пробоя диода;д - заряд электрона;в,е, - диэлектрическая проницаемостьматериала базовой области и вакуума, соответственно;1, - насыщенная скорость движения носителей в сильном поле;Уд - концентрация легирующей примеси в базовой области;У, - суммарное напряжение на диоде перед началом формирования перепадов така; ширина базовой области;скорость нарастания импульса напряжения.коэффициент, зависящий отконструкции диода;коэффициент зависящий отконструкции диода.