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)生器來說，超快脈沖開關(guān)都是核心部件，也是其性能好壞的關(guān)鍵因素。
這些開關(guān)應(yīng)具有納秒、亞納秒開關(guān)能力，高重復(fù)率、高效率以及高開關(guān)時(shí)間穩(wěn)定性(低抖動(dòng))等特點(diǎn)。常用的火花隙開關(guān)具有低損耗、高控制電壓能力以及大開關(guān)電流等優(yōu)點(diǎn)，但其電極壽命很短，脈沖重復(fù)率低且多開關(guān)同步系統(tǒng)很復(fù)雜。激光控制的光導(dǎo)開關(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)了兩類元件，較好地滿足了上述超快脈沖功率開關(guān)的需求。第一類是基于pn結(jié)在高偏壓下的超快電壓恢復(fù)效應(yīng)而設(shè)計(jì)的短路開關(guān)器件DSRD(driftSTeprecoverydevices)，該器件在功率放大器中用作開關(guān)元件(SOS,semicONductoropeningswitch)，利用該開關(guān)元件設(shè)計(jì)的固態(tài)調(diào)制器可產(chǎn)生脈沖長度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)為是過壓火花隙開關(guān)的替代。采用這類器件的調(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DBD切換到負(fù)載。該類調(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,長度1~2ns的脈沖。
1 延遲擊穿開關(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)用來說，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的外加脈沖來說，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)。
2 DBD器件仿真結(jié)果及分析
本文通過求解一組耦合、剛性、非線性方程組，并根據(jù)實(shí)際情況選擇相關(guān)物理模型(遷移率、產(chǎn)生復(fù)合等)，獲得關(guān)鍵半導(dǎo)體器件的宏觀行為。重點(diǎn)對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和物理參數(shù)的DBD器件在不同激勵(lì)源下的延遲擊穿效應(yīng)進(jìn)行了仿真，研究了不同參數(shù)對(duì)延遲擊穿半導(dǎo)體開關(guān)二極管開關(guān)特性(上升時(shí)間、脈沖寬度)的影響。仿真的器件結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化電路模型如圖1所示，器件面積為0.01cm2,p+ 區(qū)摻雜濃度NA=1019cm-3,n+ 區(qū)摻雜濃度ND=1019cm-3,負(fù)載R=50Ω。激勵(lì)源具有常dV/dt上升沿的波，如圖2所示，幅度為2.3kV,選擇該波形是便于理論分析。
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圖1 延遲擊穿二極管結(jié)構(gòu)和模擬簡(jiǎn)化電路
圖2中帶三角符號(hào)的實(shí)線表示峰值為2.3kV的輸入驅(qū)動(dòng)脈沖，剛開始有一個(gè)小的前脈沖，然后有一個(gè)小的上升，最后是較快的上升，上升沿時(shí)間為300ps.另一條曲線表示50Ω負(fù)載的電壓，即銳化后的輸出脈沖，從470V到峰值2.18kV處上升時(shí)間為90ps.可見DBD器件能有效地阻止前脈沖和慢的上升，在峰值電壓處擊穿(關(guān)閉)很快。
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圖2 典型輸入電壓和輸出電壓波形
圖3和圖4分別表示DBD輸出與其橫截面積及負(fù)載電阻的關(guān)系。Focia等人認(rèn)為，器件面積依賴于所需的功率控制能力，對(duì)輸出負(fù)載卻沒有提到。從仿真結(jié)果看，并不完全是這樣。從圖3、圖4可以看出，在一定面積或負(fù)載電阻R 范圍內(nèi)，輸出電壓幅度幾乎不變，上升時(shí)間則差不多單調(diào)上升;在該范圍低端，當(dāng)面積或負(fù)載電阻減小時(shí)輸出幅度單調(diào)下降，但上升時(shí)間卻存在極小值。這是因?yàn)樵谏鲜龇秶鷥?nèi)，截面積增加，則通過負(fù)載的電流增加，從而輸出幅度變大，但加在負(fù)載上的電壓的增加必然導(dǎo)致DBD兩端電位的下降，從而使雪崩電流減少，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓減小，綜合結(jié)果是輸出幅度幾乎不變，這可以認(rèn)為類似于負(fù)反饋情形。上升時(shí)間方面，隨著R 或面積的增加，DBD兩端電壓的加載速率dV/dt下降，因而上升時(shí)間增加。在上述范圍內(nèi)，負(fù)載電阻改變時(shí)情形也一樣。在上述范圍以外，當(dāng)面積減小時(shí)，由于雪崩產(chǎn)生的等離子體數(shù)量有限，雪崩電流減小，因而輸出幅度減小;R 減小時(shí)，電路中電流增加，DBD電壓下降，導(dǎo)致輸出幅度減小。上升時(shí)間方面，情況比較復(fù)雜，不同R 時(shí)輸入電壓DBD端電壓波形如圖5所示，從圖5可以看出，R 兩端的電壓上升時(shí)間決定于DBD端電壓的下降時(shí)間。隨著R 的減小，從圖4可以得到，DBD端電壓下降時(shí)間(即R 兩端的電壓上升時(shí)間)在R=40Ω處存在極值。因?yàn)?，隨著R 的進(jìn)一步減小，處于雪崩狀態(tài)的DBD電阻相對(duì)變大，這樣DBD上的壓降最小值(對(duì)應(yīng)于R 上的最大值)增大，因此下降變化率減小，上升時(shí)間反而增加，故上升時(shí)間在R=40Ω處出現(xiàn)極值。面積減小時(shí)的情形也很類似。
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圖3 電壓峰值及上升時(shí)間與其橫截面積的關(guān)系
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圖4 電壓峰值及上升時(shí)間與負(fù)載電阻的關(guān)系
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圖5 輸入電壓及不同負(fù)載時(shí)的DBD端電壓波形
圖6表示DBD輸出隨n區(qū)長度的變化。從結(jié)果看，輸出電壓峰值對(duì)n區(qū)長度變化存在極大值，而上升時(shí)間對(duì)n區(qū)長度變化也存在極小值，且這兩個(gè)極值所對(duì)應(yīng)的n區(qū)長度差不多。該值約等于器件在臨界擊穿時(shí)其SCR區(qū)(正好處于穿通狀態(tài)時(shí))的長度值。長度低于該值，則臨界擊穿電壓下降，輸出峰值降低，上升時(shí)間增加;長度大于該值，則雪崩區(qū)域增大，漂移時(shí)間增加，達(dá)到峰值所需時(shí)間增加，輸出幅度下降。
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圖6 電壓峰值及上升時(shí)間隨n區(qū)長度的變化
圖7表示DBD輸出隨激勵(lì)源dVA/dt變化的情況，可以看出，當(dāng)dVA/dt小于由式(4)和式(5)所確定的臨界值(對(duì)圖1所示的器件)，則輸出電壓為其靜態(tài)擊穿值，上升時(shí)間為輸入信號(hào)上升時(shí)間;當(dāng)dVA/dt超過其發(fā)生延遲擊穿的臨界值后，輸出幅度急劇增加，上升時(shí)間急劇減小，但變化很快趨于平緩。這是因?yàn)殡S著dVA/dt的增加，雪崩擊穿電流增加，這樣加在負(fù)載電阻上的電壓增加，從而加在DBD兩端的電壓下降，這必然導(dǎo)致雪崩電離率下降而致使電流下降，二者綜合結(jié)果便會(huì)出現(xiàn)平衡的結(jié)局，所以并不是dVA/dt越大越好。
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圖7電壓峰值及上升時(shí)間隨激勵(lì)源dVA/dt的變化
3 結(jié) 論
從DBD作為半導(dǎo)體開關(guān)器件在負(fù)載上的輸出脈沖幅度及上升時(shí)間兩方面綜合考慮，器件面積、負(fù)載電阻、n區(qū)長度及其摻雜以及激勵(lì)源等因素，均對(duì)DBD器件性能有很大的影響。上升時(shí)間對(duì)于面積和負(fù)載電阻均存在極小值，由于上升時(shí)間是關(guān)鍵指標(biāo)之一，因此進(jìn)行面積和負(fù)載電阻設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該選取該極值點(diǎn)，由于延遲擊穿過程具有強(qiáng)烈的非線性，該極值點(diǎn)只能由仿真獲得。其他方面，n區(qū)長度存在最佳值，理論上應(yīng)為器件加載在所需臨界擊穿電壓值而剛好處于穿通狀態(tài)的長度值，當(dāng)然最好以仿真結(jié)果為準(zhǔn);n區(qū)濃度越低越好，因?yàn)闈舛仍降?，擊穿電壓越高。輸出激?lì)源應(yīng)適當(dāng)高于滿足式(4)所需的dVA/dt值，但不是越高越好，因?yàn)閐VA/dt越高對(duì)前級(jí)的要求越高，然而產(chǎn)生的效果卻沒有多大變化。至于p+ 區(qū)和n+ 區(qū)的長度，沒有太大的影響，當(dāng)然應(yīng)大于其各自的穿通長度，濃度則盡量高。