隨著現(xiàn)代超寬帶(UWB)系統(tǒng)的發(fā)展，短脈沖功率發(fā)生器在高壓脈沖功率和脈沖電暈等離子體技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。對(duì)任何短脈沖功率發(fā)生器來(lái)說(shuō)，超快脈沖開(kāi)關(guān)都是核心部件，也是其性能好壞的關(guān)鍵因素。
這些開(kāi)關(guān)應(yīng)具有納秒、亞納秒開(kāi)關(guān)能力，高重復(fù)率、高效率以及高開(kāi)關(guān)時(shí)間穩(wěn)定性(低抖動(dòng))等特點(diǎn)。常用的火花隙開(kāi)關(guān)具有低損耗、高控制電壓能力以及大開(kāi)關(guān)電流等優(yōu)點(diǎn)，但其電極壽命很短，脈沖重復(fù)率低且多開(kāi)關(guān)同步系統(tǒng)很復(fù)雜。激光控制的光導(dǎo)開(kāi)關(guān)抖動(dòng)低，但壽命有限，且價(jià)格昂貴。
Grekhov等人基于半導(dǎo)體PN結(jié)在高偏壓下的新效應(yīng)設(shè)計(jì)了兩類(lèi)元件，較好地滿足了上述超快脈沖功率開(kāi)關(guān)的需求。第一類(lèi)是基于pn結(jié)在高偏壓下的超快電壓恢復(fù)效應(yīng)而設(shè)計(jì)的短路開(kāi)關(guān)器件DSRD(driftSTeprecoverydevices)，該器件在功率放大器中用作開(kāi)關(guān)元件(SOS,semicONductoropeningswitch)，利用該開(kāi)關(guān)元件設(shè)計(jì)的固態(tài)調(diào)制器可產(chǎn)生脈沖長(zhǎng)度3~8ns,脈沖功率50MW~1GW 級(jí)，電壓50kV~1MV,脈沖重復(fù)頻率達(dá)幾kHz的脈沖。第二類(lèi)器件為DBD,或者是SAS(siliconavalancheshaper)，是基于半導(dǎo)體PN結(jié)超快可逆延遲擊穿效應(yīng)而設(shè)計(jì)的，它被認(rèn)為是過(guò)壓火花隙開(kāi)關(guān)的替代。采用這類(lèi)器件的調(diào)制器是基于附加的脈沖峰化作用，SOS在DBD兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓上升率極大的負(fù)電壓，在這種電壓源激勵(lì)下，電流將在不到1ns的時(shí)間內(nèi)通過(guò)DBD切換到負(fù)載。該類(lèi)調(diào)制器能產(chǎn)生幅值幾百kV,上升時(shí)間小于1ns,峰值功率達(dá)1GW,長(zhǎng)度1~2ns的脈沖。
1 延遲擊穿開(kāi)關(guān)物理機(jī)制
半導(dǎo)體二極管延遲擊穿效應(yīng)由I.V.Grekhov等人發(fā)現(xiàn)。當(dāng)某種結(jié)構(gòu)(如p+nn+)的硅二極管兩端快速加壓到超過(guò)靜態(tài)擊穿電壓時(shí)，器件在快速擊穿前有幾ns的延遲。當(dāng)雪崩電離波以快于載流子飽和漂移的速度掃過(guò)本征材料區(qū)時(shí)，就會(huì)發(fā)生ps級(jí)擊穿，工作原理簡(jiǎn)述如下。
對(duì)圖1所示的半導(dǎo)體(硅材料)pn結(jié)二極管，其p+n結(jié)的靜態(tài)擊穿電壓為：
(1)
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式中：Ec為碰撞電離的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度;NA為p+ 區(qū)摻雜濃度，NA=1019cm-3;ND為n區(qū)摻雜濃度，ND=1014cm-3;ε為材料介電常數(shù);q為電子電荷。
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通過(guò)求解泊松方程，可以得到在常幅度電流密度J0反向施加于上述二極管時(shí)空間電荷區(qū)(SCR,space-chargeregion)中電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。SCR中時(shí)變電場(chǎng)值與臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ec值相交叉的點(diǎn)隨時(shí)間向nn+ 結(jié)移動(dòng)。通過(guò)簡(jiǎn)單的分析可以得到，當(dāng)電流密度J0為常數(shù)時(shí)，該交叉點(diǎn)的移動(dòng)速度：
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(3)式表明：有可能產(chǎn)生一個(gè)速度比飽和漂移速度更快的雪崩電離波前，且可以把該波前看成是通過(guò)n區(qū)傳播的電離波，并由此產(chǎn)生高電導(dǎo)的電子空穴等離子體。如果驅(qū)動(dòng)二極管的電流足夠大，以致電場(chǎng)增大的速度高于由于電離碰撞引起的載流子產(chǎn)生所導(dǎo)致的電場(chǎng)減小的速度，那么在SCR中就會(huì)產(chǎn)生E>Ec的區(qū)域，從而導(dǎo)致延遲擊穿效應(yīng)。
從前面所述的延遲擊穿開(kāi)關(guān)物理機(jī)制可看出，產(chǎn)生延遲擊穿雪崩電離波的必要條件是：
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式中：vs是載流子飽和漂移速度。
從(1)式可以看到，器件n區(qū)的摻雜濃度取決于所需雪崩擊穿電壓值VBR,對(duì)脈沖功率技術(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，VBR越大越好，所以ND越低越好。如果取ND=1014cm-3,vs=1.0×107cm/s,可得Jmin=160A/cm2,所以要求外加反偏電壓所產(chǎn)生的電流密度至少大于160A/cm2.我們知道，在雪崩擊穿前，SCR中只有位移電流，對(duì)于具有常值dV/dt的外加脈沖來(lái)說(shuō)，它在SCR區(qū)中產(chǎn)生的位移電流：
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式中：VA是加于二極管的電壓;Vbi為內(nèi)建電勢(shì)(一般為0.5~0.8V)。對(duì)圖1所示器件，若dVA/dt≥4kV/ns,VA=4kV(代入公式(5)時(shí)取負(fù)值，因?yàn)槠湔龢O加在n端，見(jiàn)圖1)，利用公式(5)可算得Jd=183A/cm2,滿足發(fā)生雪崩的必要條件式(4)。