Способ формирования перепада напряжения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК. 9) О) А Н 03 К 3/352 РЕТЕН АВТОРСКОМ ДЕТЕЛЬСТ А г(1) Ки 2 20 и Т нар(4)при, =еКЧ,Я 2 О 2 где Ь - ток выно электрона; й - ко носителей в колле скорость движени ском поле, Я - пло диффузии электро ра, Ои - коэффици в базе; ВЬ - толщ щина базы, 1 ил. са носителеи; е - нцентрация равнов кторе; Чз - насыщ я электронов в элект щадь прибора; Тв - нов через базу тран ент диффузии элект на коллектора; ЮР нная це ремя Г ст но- топ пульсной рмирова- напряжепомощью и может я форми- роводниляющии элособа след ва тока чери большо напряжени ханизмом ектрод, ует счиез тирие время я нана- выклюм фодовнасров,реше. я переистора м элекехническим рмировани щью транз ым базовь рования переке с помощью импульса тока ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТВЕДОМСТВО СССР(56) 1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. - М,: Мир, 1984,2. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов, - Л.: Знергоатомиздат, 1986. (прототип).(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕПАДА НАПРЯЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к импульсной технике, а именно к способам формирования высоковольтных перепадов напряжения наносекундноГо диапазона с помощью полупроводниковых приборов, и может быть использовано, например, для формирования импульсов накачки полупроводниковых лазеров, Целью предлагаемого изобретения является расширение области .применения за счет уменьшения длительности фронта формируемого сигнала, НапряИзобретение относится технике, а именно к способ ния высоковольтн,гх переп ния наносекундного диапаз полупроводников,х приб быть использовано, наприм рования импульсов накачки ковых лазеров.Известен способ форм пада напряжения на нагру тирйстора путем еоздействи жение на коллектор высоковольтного транзистора подают в момент окончания управляющего импульса тока, причем ДЛИтЕЛЬНОСтЬ тОКа УПРаВЛЕНИЯ (Тупр), ВРЕМЯ нарастания напряжения на коллекторе (ТиР), траНЗИСтара, аМПЛИтуда тОКа КОЛЛЕК- тора транзистора (1 н), величина импульса тоКа УПРаВЛЕНИЯ (1 УпР) УДОВЛЕтВОРЯЮт следующим соотношениям: управления на его управ Недостатками данного сп тать необходимость обры стор для его выключзния формирования перепада грузке, обусловленное ме чения тиристора.Наиболее близким т нием является способ фо пада напряжения с помо включенного с заземленн(3) 1 п 1 = Е М Чв Я тродом. Подробно схема реализации данного способа описана в работе (1),Способ заключается в воздействии управляющим импульсом тока на цепь эмиттер - база и подаче постоянного напряжения на коллектор, причем напряжение на коллекторе постоянно в течение всей длительности импульса тока управления.Данный способ позволяет формировать перепады напряжения на нагрузке, включенной параллельно коллектору с амплитуДОй 0 Опроб КБЗа ВРЕМЯ 1 вкл И ТОКОМ =имп щах, Для примера у транзистора КТ 828 А Опроб КБ = 800 В 1 вкл = 0,4 мкС олимп Гпах = 7,5 А. Недостатком данного способа является большое время нарастания напряжения на нагрузке, определяемое временем включения транзистора, Например, для транзистора КТ 828 А время включения 1 вкл = 0,4 мкс, (2)Другим существенным недостатком данного способа является медленное выключение транзистора (большая величина 1 вык). Этим способом невозможно обеспечить формирование перепада напряжения на нагрузке за время меньшее, чем время включения транзистора. Физические процессы, происходящие в транзисторе, включенном по схеме с общей базой, шиооко описаны в литературе (3).Целью изобретения является расширение области применения за счет уменьшения длительности фронта формируемого сигнала,Указанная цель достигается путем воздействия управляющим импульсом тока на эмиттерно-базовую цепь высоковольтного транзистора с заземленной базой и напряжением на коллекторе.Новым является то, что напряжение на коллектор высоковольтного транзистора подают в момент окончания управляющего импульса тока, причем длительность управляющего импульса тока (Тупр), время нарастания напряжения на коллекторе высоковольтного транзистора (Тнар), амплитуду кьллекторного (1 п) и амплитуду управляющего импульса тока (1 упр); выбирают исходя из соотношений(4) где е - заряд электрона;5 М - концентрация равновесных носителей в коллекторе высоковольтного транзистора;Чв - насыщенная скорость движенияэлектронов в электрическом поле;10 Я - площадь коллекторного переходавысоковольтного транзистора;Тд - время диффузии электронов черезбазу высоковольтного транзистора;Оп - коэффициент диффузии;15 Юп, ЧЧр - толщина коллектора и базы,соответственно,Суть изобретения поясняется следующими чертежами.На фиг.1 показана схема включения20 транзистора,где 1 - транзистор, используемый для формирования перепада напряжения;2 - сопротивление нагрузки;3 -источник коллекторного напряже 25 ния;4 - сопротивление, ограничивающееколлекторный ток;5 - источник, формирующий импульс тока управления (1 упр)30 На фиг.2 показано распределение концентраций электронов в коллекторе послеокончания импульса тока управления (11), впроцессе рассасывания (12 + 1 б) и после завершения процесса восстановления обла 35 сти объемного заряда (003) (1 б).На фиг.З показана схема для реализации данного способа,где 1 - транзистор, используемый для формирования перепада напряжения на на 40 груэке;2 - сопротивление нагрузки (Вн);3 - источник коллекторного напряжения(накопительный конденсатор);4 - сопротивление, ограничивающее45 коллекторный ток (Я);5 - источник, формирующий импульс тока управления (накопительный конденсатор);6 - источник питания для заряда нако 50 пительных конденсаторов;7-транзистор, являющийся ключомдляформирования импульса тока управления;8 - тиристор, яв 1 яющийся ключом, дляформирования импульса тока коллектора;55 9 - сопротивление шунта (йш), служащего для измерения тока через транзистор 1;10 - сопротивление делителя для измерения напряжения на нагрузке;11 - источник питания для заряда накопительного конденсатора в цепи формирования тока управления.На фиг.4 приведены осциллограммы тока и напряжения, снятые в схеме, показанной на фиг,3 (в масштабе 200 В/см и 2 А/смпо вертикали и 25 нс/см по горизонтали).На фиг,5 приведены осциллограммы напряжения на коллекторе транзистора и нагрузке в растянутом масштабе времени (8,5нс/см по горизонтали).Рассмотрим процессы, происходящие всхеме, изображенной на фиг,1.В исходном состоянии ток черезтранзистор отсутствует, оба его перехода находятся в состоянии теплового равновесия.В момент времени,1 = 0 на эмиттер (и+слой) подается управляющий импульс токас амплитудой упр и длительностью тупр,смещающий эмиттерный и + р + переход впрямом направлении. В течение периодатупр внешнее напряжение на коллектор неподается Обит = О. В этом случае через время, равное времени диффузии электроновчЕрез р + базу (тд.= ЧЧр/2 О,), коллекторперейдет в состояние насыщения и начнется инжекция дырок из р + базы в и слойколлектора. Т,к. напряжение на коллектореи ток отсутствуют, то перенос в и-слое чистодиффузионный, и к концу импульса управления в п-слое образуется обогащенная носителями диффузионная квазинейтральная.область размером 1 р Оп (Тупр-Тд) или Оп тресли 1 р(Тупр - Тд). После прохождения импульса тока заданной эмили гуды и длительности (см. уравнения (3) и (4) большая частьпрошедшего заряда оказывается в и области, в диффузионном слое толщиной .р, т.е.в коллекторе.Распределение неосновных носителейв коллекторной области транзистора приведено на фиг,2,Следует отметить, что рФ 6/ - являетсянеобходимым условием для быстрого восстановления напряжения, т.к. процесс восстановления напряжения на приборепротекает в два этапа. Первый этап - ,этомедленное диффузионное рассасываниенеравновесных носителей, находящийся вслоер. И второй этап - дрейфовый выносравновесных носителей из коллектора, приводящий к расширению области объемногозаряда (003) и быстрому росту напряженияна приборе,гТ,о. УсловиЯ Тупр2 (а) ил2Тнар- " (б), накладывают ограничензр 2 рния на толщину диффузионного слоя .р, При5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 невыполнении условия (а), диффузионная областьр распространится на большую часть толщины базы Яп, что приведет к уменьшению, а при дальнейшем расширениир и полному исчезновению положительного эффекта, При невыполнении условия (б) рассасывание диффузионной областир будет осуществляться за счет медленного диффузионного механизма в течение всего времени нарастания напряжения на коллекторе, что также приведет к исчезновению положительного эффекта.После окончания импульса управления (момент времени ц) включается источник коллекторного тока, смещающий коллектор в обратном направлении, и начинается процесс рассасывания носителей, накопленных в квазинейтРальном слоер коллектоРа (тг), После тока как концентрация неравновесных носителей у Рй перехода достигается о (момент времени тз) начинает восстанавливаться область объемного заряда(003) в кол лекторном слое (т 4), что приводит к повышейию падения напряжения на приборе. После окончания рассасывания неравновесных носителей в коллекторе (т 5) начинается этап быстрого нарастания напряжения на коллекторном переходе, обусловленный дальнейшим расширением области объемного заряда со скоростью, близкой к Ч. Ток через транзистор падает, а через нагрузку возврастает. При достижении напряжения переключения Оп = Ь В процесс восстановления области объемного заряда прекращается (т 6), коллекторный переход остается в запертом состоянии, а эмиттерный находится в состоянии теплового равновесия.Рассмотренные выше процессы рассасывания диффузионной области, полностью аналогичны п роцессам для р+ пи + структур и подробно рассмотрены в работе 41.гУсловие 1 упр) -- должно выпол 20няться для того, чтобы доля заряда, накопленного в диффузионной областир бьла много больше чем заряд, накопившийся в базе; Тогда в процессе рассасывания все электроны уйдут из р-слоя до того, как рассосется диффузионная область .р, т.е, будет реализован дрейфовый механизм рассасывания носителей в коллекторе, что приводит к формированию быстрого перепада напряжения, В противном случае скорость роста напряжения на 003 после удаления неравновесных носителей будет определяться скоростью спада тока электронов, идущих из р-базы в и-слой, т,е, временем рассасывания носителей в базе.Рассмотрим более подробно условия, накладываемые на импульс тока управления (Тупр), время нарастания тока коллектора (Тнар), обеспечиваемого внешним источником. Условие упр = - - означает, чтовТна 5 2 Т упрзаряд, накопленный в коллекторе должен обеспечивать поддержание тока в цепи в течение всего времени нарастания тока коллектора до максимального значения Ъв, При 10 это величина упр. Тупр выражает внесенный за время Тупр заряд, а в Тнар/2 - заряд, выносимый за время Тнар при возрастании тока коллектора от 0 до в.Кроме рассмотренных условий, следует 15 отметить еще одно, а именно вынос равновесных носителей на этапе быстрого нарастания напряжения должен производится током; 20(7)= е М Я,и Е = е М Б,иф и Значит, сопротивление коллектора можно считать равным 45(8) где,и - подвижность электронов, 50Значит, сопротивление на руэки Вндолжно удовлетворять соотношению; ВН -- " еМЗ,и(9) 55 Таким образом поиходим к следующимусловиям, налагаемыл 1 на импульс тока упПри токе выноса меньшем в уменьшается скорость нарастания напряжения на коллекторе, а при токе большем в, возра стает падение напряжения на нейтральной области, что ухудшает форму формируемого перепада напряжения, Величина напряже ния, подаваемого на коллектор, должна быть близка к напряжению пробоя перехо да база - коллектор, но не должна превышать его.Заметим, что нагрузка не должна шунтировать транзистор на этапе выноса носителей иэ коллектора. Ток выноса носителей 35 до достижения значения в выражается формулой (5):равления и форму импульса напряжения наколлекторе:(13) Таким образом, ограничения, накладываемые на импульс тока управления (упр), длительность тока управления (Тупр), амплитуда напряжения на коллекторе (Ок), время нарастания напряжения на коллекторе транзистора (Тнар), приводятк уменьшению длительности формирования перепада .напряжения.Покажем далее, что совокупность существенных признаков является новой по сравнению с решениями, известными в науке и технике.В известных способах формирования перепадов напряжения на нагрузке с помощью транзистора, таких как включение с общим эмиттером, эмиттерный повторитель и, принятый нами за прототип способ включения по схеме с общей базой, транзистор является токовым ключом, непосредственно управляемым базовым током. При этом используется физический механизм включения транзистора, т,е, диффузия носителей через базовую область. В этом случае происходит одновременное накопление и рассасывание заряда в коллекторе, и заряд, который должен быть накоплен в коллекторе на стадии включения транзистора (для обеспечения протекания тока через него), настадии выключения ухудшает(увеличивает) время выключения транзистбра,В предлагаемом техническом решении, используется раздельное накопление и рассасывание заряда в коллекторе. При этом заряд преимущественно рассасывается не диффузионным путем, как в приведенных выше способах, а с помощью дрейфового механизма выноса носителей, что и приводит к уменьшению длительности формирования перепада напряжения,Примером конкретной реализации данного способа служит схема, приведенная на фиг,3, Для формирования напряжения использовался серийный транзистор КТ 828 А, имеющий следующие параметры: Опроб КБ = 800 В; импульсный ток коллектора ки = 7.51783606 50 55 А; время включения твкл = 0,4 мкс, время выключения 1 выкл = 1 мкс; площадь прибора 3=210 2 см 2Характерное значение концентрации примесей в коллекторе, т.е. концентрации равновесных носителей, п = 5 10 см з. Параметр Тнар = 50 нс, что соответствует реальной величине времени переключения для тиристора КУ 221 А.Принимая, что толщина базы мощных высоковольтных транзисторов составляет единицы микрон, а коэффициент диффузии электронов равен 30, Получим следующие значения для условия, определяющего длительность тока управления; 9/2 10 4Т - Р -- - 0,1610д 20 л 2 30с =0,16 НС (14) ааа ОО .а 1 Е 1 Е-в20 п 230С = 1,6 МКС (15) Выбранная в эксперименте длительность импульса тока управления Тупр = 200 нс отвечает условию 0,16 нс Тупр 1,6 мкс,Значение времени нарастания напряжения на коллекторе определялось, как было сказано выше, параметрами используемого тиристора, при этом величина Тиар = 50 нс удовлетворяет условию (2) формулы изобретения,После подстановки значений в формулу (3) для определения 1 п мы получаем следующие соотношения: 1 О 1=Ц й ЧО 5=1,610 (КЛ)510 (СМ зД10 (СМ/С) 2 10 (СМ) = 16 А (16) Тогда величина тока управления:г 1 щ наеа 16А50НС2 тупр 2 200( НС)(1 7) Сопротивление нагрузки бралось равным 100 Ом. 1 ОО 1 О СМ 1 О 10 екл 1510 Ссм 121 ОеСс 33102 Ссф/Вс 3 1 Ое- - ,ра = 200ЯН 1, В реализованной схеме используются два накопительных конденсатора 5 (100 мкФ) и 6 (0,4 мкФ); первичные ключи: транзистор (КП 907 В) и тиристор 8 (КУ 221 А), и транзистор 1 (КТ 828 А), В исходном состоянии конденсатор 5 заряжен до напряжения 5 10 15 20 25 30 35 40 45 О 1 =+50 В, конденсатор 6 - до напряжения 800 В; транзистор 7 и тиристор 8 закрыты. В момент времени то открывается транзистор 7, конденсатор 5 разряжается по цепи (+) конденсатора, 5 - транзистор 7 - Рш-переход база - эмиттер транзистора 1 - ( - ) конденсатора 5, создавая импульс тока управления. Амплитуда импульса тока управления определялась сопротивлением канала транзистора 7 и напряжением О 1, а длительность задавалась импульсом управления на затвбр транзистора 7. В нашем случае амплитуда тока упр = 2 А; тупр = 200 нс, после окончания импульса тока управления включался тиристор 8 и начинался разряд конденсатора 6 по цепи (+) конденсатора 6 - тиристор 8-4 (Я)-переход коллектор - база транзистора 1 - Вш - ( - ) конденсатора 6, чем формировался ток восстановления 1 в, Величина тока восстановления определяется напряжением (О) нэ конденсаторе 6 и сопротивлении 4 (Я = 40 Ом), Сопротивление нагрузки 2 (Яраг) подключалось параллельно коллектору и имело величину 100 Ом. Напряжение на коллекторе измерялось с помощью делителя на сопротивлениях 10 (1;20); ток - с помощью шунта. Яш = 0,5 Ом.На фиг.4 приведены экспериментальные зависимости тока (а) и напряжения (б). На фиг.5 показана осциллограмма напряжения в увеличенном масштабе времени.Из приведенных осциллограмм видно, что на нагрузке транзистора формируется перепад напряжения, амплитудой 700 В и фронтом = 10 - 15 нс.Таким образом, сравнивая время включения транзистора в режиме с общей базой (1 вкл = 0,4 мкс) и полученное в случае реали-. зации способа, предлагаемого в заявке, получаем выигрыш по уменьшению времени нарастания напряжения на нагрузке в 27 раз. Уменьшение длительности формирования перепада нйпряжения позволяет создавать генераторы для управления оптическими затворами лазеров, для установок обнаружения дефектов в линиях связи и линиях электропередач большойпротяженности, Формула изобретения Способ формирования перепада напряжения путем воздействия управляющим импульсом тока на эмиттеро-базовую цепь высоковольтного транзистора с заземлен. ной базой и напряжением на коллектор, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения зэ счет уменьшения длительности фронта формируемого сигнала, напряжение на коллектор высоковольтного транзистора подлог и момент1783606 50 нс Редактор оставитель В.Врылевскийхред М,Моргентал Корректор З,Салка Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 аказ 4521 ТиражВНИИПИ Государственного комитета113035, Москва, Ж Подписноеизобретениям и открытиям при ГКНТ С