Способ формирования перепада напряжения Советский патент 1992 года по МПК H03K3/352 

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 U Кпроб КБ за время т.Вкл и током I имп max. Для примера у транзистора КТ828А Unpo6 КБ 800 В, 1Вкл 0,4 мкс, 1Имп max 7,5 А. Недостатком данного способа является большое время нарастания напряжения на нагрузке, определяемое временем включения транзистора. Например, для транзистора КТ828А время включения т.Вкл 0,4 мкс. 2

Другим существенным недостатком данного способа является медленное выключение транзистора (большая величина Т.ЕЫК). 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, широко 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 квллекторного (Im) и амплитуду управляющего импульса тока Оупр), выбирают исходя из соотношений

Тл

2 D

Т

Im е N Vs S

(2)

(3)

упр

m

ImT

нар

Т упр2

где е - заряд электрона;

5N - концентрация равновесных носителей в коллекторе высоковольтного транзистора;

Vs - насыщенная скорость движения электронов в электрическом поле; 10 S - площадь коллекторного перехода высоковольтного транзистора;

Тд - время диффузии электронов через базу высоковольтного транзистора;

Dn - коэффициент диффузии; 15 wn, WP - толщина коллектора и базы, соответственно.

Суть изобретения поясняется следующими чертежами:

На фиг.1 показана схема включения 20 транзистора,

где 1 - транзистор, используемый для формирования перепада напряжения;

2- сопротивление нагрузки;

3- источник коллекторного напряже- 25 ния;

4- сопротивление, ограничивающее коллекторный ток;

5- источник, формирующий импульс тока управления (lynp).

30 На фиг.2 показано распределение концентраций электронов в коллекторе после окончания импульса тока управления (ti). в процессе рассасывания (t2 + 15) и после завершения процесса восстановления обла35 сти объемного заряда (003) (te).

На фиг.З показана схема для реализации данного способа,

где 1 - транзистор, используемый для формирования перепада напряжения на на40 грузке;

2- сопротивление нагрузки (RH);

3- источник коллекторного напряжения (накопительный конденсатор);

4- сопротивление ограничивающее 45 коллекторный ток (Ri);

5- источник, формирующий импульс тока управления (накопительный конденсатор);

6- источник питания для заряда нако- 50 пительных конденсаторов;

7-транзистор, являющийся ключом для формирования импульса тока управления;

8 - ТИрИСТОр, ЯВ 1ЯЮЩИЙСЯ КЛЮЧОМ, ДЛЯ

формирования импульса тока коллектора; 55 9 - сопротивление шунта (Нш), служащего для измерения тока через транзистор 1; 10 - сопротивление делителя для измерения напряжения на нагрузке;

11 - источник питания для заряда накопительного конденсатора в дели формирования тока управления.

На фиг.4 приведены осциллограммы тока и напряжения, снятые в схеме, показанной на фиг.З (в масштабе 200 В/см и 2 А/см по вертикали и 25 не/см по горизонтали).

На фиг.5 приведены осциллограммы напряжения на коллекторе транзистора и нагрузке в растянутом масштабе времени (8,5 не/см по горизонтали).

Рассмотрим процессы, происходящие в схеме, изображенной на фиг.1.

В исходном состоянии ток черезтранзи- стор отсутствует, оба его перехода находятся в состоянии теплового равновесия.

В момент времени -t 0 на эмиттер (п + слой) подается управляющий импульс тока с амплитудой упр и длительностью tynp, смещающий эмиттерный п + р + переход в прямом направлении. В течение периода tynp внешнее напряжение на коллектор не подается Urw 0. В этом случае через время, равное времени диффузии электронов р + базу (т.д Wp/2 Dn), коллектор перейдет в состояние насыщения и начнет- ся инжекция дырок из р + базы в п слой коллектора. Т.к. напряжение на коллекторе и ток отсутствуют, то перенос в n-слое чисто диффузионный, и к концу импульса управления в n-слое образуется обогащенная носи- телями диффузионная квазинейтральная область размером Lp Dn (Тупр-Тд) или Dn tp если tp (Тупр-Тд). После прохождения импульса тока заданной амплитуды и длительности (см. уравнения (3) и (4) большая часть прошедшего заряда оказывается в п области, в диффузионном слое толщиной Lp, т.е. в коллекторе.

Распределение неосновных носителей в коллекторной области транзистора приве- дено на фиг.2.

Следует отметить, что Wn - является необходимым условием для быстрого восстановления напряжения, т.к. процесс восстановления напряжения на приборе протекает в два этапа. Первый этап -.это медленное диффузионное рассасывание неравновесных носителей, находящийся в слое Lp. И второй этап - дрейфовый вынос равновесных носителей из коллектора, при- водящий к расширению области объемного заряда (003) и быстрому росту напряжения на приборе.

упр

Wn 2Dr

Т нар

(б), накладывают ограничения на толщину диффузионного слоя Lp. При

5

10

15

20 25 3035

40

4550

55

невыполнении условия (а), диффузионная область Lp распространится на большую часть толщины базы Wn, что приведет к уменьшению, а при дальнейшем расширении Lp и полному исчезновению положительного эффекта. При невыполнении условия (б) рассасывание диффузионной области Lp 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 ti) включается источник коллекторного тока, смещающий коллектор в обратном направлении, и начинается процесс рассасывания носителей, накопленных в квазинейтральном слое Lp коллектора (ta). После тока как концентрация неравновесных носителей у PN перехода достигается о (момент времени ta) начинает восстанавливаться область объемного заряда (003) в кол- лектор ном слое (t4), что приводит к повышению падения напряжения на приборе. После окончания рассасывания неравновесных носителей в коллекторе (ts) начинается этап быстрого нарастания напряжения на коллекторном переходе, обусловленный дальнейшим расширением области объемного заряда со скоростью, близкой к Vs. Ток через транзистор падает, а через нагрузку возврастает. При достижении напряжения переключения Um Im RH процесс восстановления области объемного заряда прекращается (te), коллекторный переход остается в запертом состоянии, а эмиттерный находится в состоянии теплового равновесия.

Рассмотренные выше процессы рассасывания диффузионной области, полностью аналогичны процессам для р + пп + структур и подробно рассмотрены в работе 4.

rt

Условие tynp 2гГ должно выполняться для того, чтобы доля заряда, накопленного в диффузионной области Lp была много больше чем заряд, накопившийся в базе. Тогда в процессе рассасывания все электроны уйдут из р-слоя до того, как рассосется диффузионная область Lp, 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 п-слой, т.е. временем рассасывания носителей в базе.

7

Рассмотрим более подробно условия, накладываемые на импульс тока управления (Тупр), время нарастания тока коллектора (Тнар), обеспечиваемого внешним источником.

Условие lynp п-r -н-ар означает, что : I упр

заряд, накопленный в коллекторе должен обеспечивать поддержание тока в цепи в течение всего времени нарастания тока коллектора до максимального значения Im. При это величина 1уПр. ТуПр выражает внесенный за время ТуПр заряд, a lm Тнар/2 - заряд, выносимый за время ТНар при возрастании тока коллектора от 0 до lm.

Кроме рассмотренных условий, следует отметить еще одно, а именно вынос равновесных носителей на этапе быстрого нарастания напряжения должен производится током:

lm q Nd Vs S

(5)

При токе выноса меньшем lm уменьшается скорость нарастания напряжения на коллекторе, а при токе большем lm, возрастает падение напряжения на нейтральной области, что ухудшает форму формируемого перепада напряжения Величина напряжения, подаваемого на коллектор, должна быть близка к напряжению пробоя перехода база-коллектор но не должна превышать его.

Заметим, что нагрузка не должна шунтировать транзистор на этапе выноса носителей из коллектора. Ток выноса носителей до достижения значения lm выражается формулой (5):

l eNS V

(6)

l eNS,ME eNS/«

UK Wn

Значит, сопротивление коллектора можно считать равным

R3K

Wn eNSu

где ц - подвижность электронов

Значит, сопротивление нагрузки RH должно удовлетворять соотношению

RH

eNSu

Таким образом приходим к следующим условиям, налаоемым на импульс тока уп

равления и форму импульса напряжения коллекторе:

на

(Ю) (11)

10

тл «ту„р« (12)

т Wn нар

(13)

15 Таким образом, ограничения, накладываемые на импульс тока управления (lynp), длительность тока управления (Тупр), амплитуда напряжения на коллекторе (U«), время нарастания напряжения на коллекторе

2Q транзистора (Тнар), приводят к уменьшению длительности формирования перепада напряжения.

Покажем далее, что совокупность существенных признаков является новой по

25 сравнению с решениями, известными в науке и технике.

В известных способах формирования перепадов напряжения на нагрузке с помощью транзистора, таких как включение с

30 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

35 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,

40 который должен быть накоплен в коллекторе на стадии включения транзистора (для обеспечения протекания тока через него) на стадии выключения ухудшает (увеличивает) время выключения транзистора.

45 В предлагаемом техническом решении, используется раздельное накопление и рассасывание заряда в коллекторе. При этом заряд преимущественно рассасывается не диффузионным путем, как в приведенных

50 выше способах, а с помощью дрейфового механизма выноса носителей, что и приводит к уменьшеншэ длительности формирования перепада напряжения.

Примером конкретной реализации дан55 ного способа служит схема, приведенная на фиг.З. Для формирования напряжения использовался серийный транзистор КТ 828 А, имеющий следующие параметры: L/проб КБ 800 В; импульсный ток коллектора 1ки 7,5

А; время включения т,Вкл 0,4 мкс, время выключения 1выкл 1 мкс; площадь прибора 5 2 .

Характерное значение концентрации примесей в коллекторе, т.е. концентрации равновесных носителей, п 5 10 . Параметр Тнар 50 не, 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:

т W2, (10) 1П-в

T -2D7-Vio- Л6

с 0,16 НС(14)

WS ( 16 2Dn2.30 °

С 1.6 МКС

Выбранная в эксперименте длительность импульса тока управления Тупр 200 не отвечает условию 0,16 не « Тупр « 1,6 мкс.

Значение времени нарастания напряжения на коллекторе определялось, как было сказано выше, параметрами используемого тиристора, при этом величи- .на Тнар 50 не удовлетворяет условию (2) формулы изобретения.

После подстановки значений в формулу (3) для определения lm мы получаем следующие соотношения:

lm q N Vs S 1,6 КЛ 5 16 А(16)

Тогда величина тока управления:

Ofl

о ОПА г LI 1

2 200 НС

Сопротивление нагрузки бралось равным 100 Ом.

W „100 IQ-ICMl «NS 1.610 1° Ю1 510 4 СМ:)210гГСм 3102 См1/ВС

.6-1°%.

В реализованной схеме используются два накопительных конденсатора 5 (100 мкФ) и 6 (0,4 мкФ); первичные ключи: транзистор (КП907В) и тиристор Ь (КУ 221 А), и транзистор 1 (КТ 828 А). В исходном состоянии конденсатор 5 заряжен до напряжения

Ui +50 В, конденсатор 6 - до напряжения 800 В, транзистор 7 и тиристор 8 закрыты. В момент времени to открывается транзистор 7, конденсатор 5 разряжается по цепи (+) 5 конденсатора, 5 - транзистор 7 - Рш-пере- ход база-эмиттер транзистора 1 - (-) конденсатора 5, создавая импульс тока управления. Амплитуда импульса тока управления определялась сопротивлением ка10 нала транзистора 7 и напряжением Ui, a длительность задавалась импульсом управления на затвбр транзистора 7. В нашем случае амплитуда тока lynp 2А; т.уПр 200 не, после окончания импульса тока ynpatyie15 ния включался тиристор 8 и начинался разряд конденсатора 6 по цепи (+) конденсатора 6 - тиристор 8-4 (RO-переход коллектор-база транзистора 1 - Рш - (-) конденсатора 6, чем формировался ток восста20 новления 1в. Величина тока восстановления определяется напряжением (UK) на конденсаторе 6 и сопротивлении 4 (R, 40 Ом). Сопротивление нагрузки 2 (RHar) подключалось параллельно коллектору и имело вели25 чину 100 Ом. Напряжение на коллекторе измерялось с помощью делителя на сопротивлениях 10 (1:20); ток - с помощью шунта Рш 0,5 Ом.

На фиг.4 приведены эксперименталь30 ные 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

35 перепад напряжения, амплитудой 700 В и фронтом 10-15 не.

Таким образом, сравнивая время включения транзистора в режиме с общей базой (хвкл 0,4 мкс) и полученное в случае реали40 зации способа, предлагаемого в заявке, получаем выигрыш по уменьшению времени нарастания напряжения на нагрузке в 27 раз. Уменьшение длительности формирования перепада напряжения позволяет созда45 вать генераторы для управления оптическими затворами лазеров, для установок обнаружения дефектов е линиях связи и линиях электропередач большой протяженности,

50 Формула изобретения

Способ формирования перепада напряжения путем воздействия управляющим импульсом тока на эмиттер.но-базовую цепь высоковольтного транзистора с заземлен55 ной базой и напряжением на коллектор, о т- личающийся тем, что, с целью расширения области применения за СЧРТ уменьшения длительности фронта форммоуемого сигнала, напряжение на коллектор высоковольтного транзистора подают п момент

окончания управляющего импульса тока, причем длительность управляющего импульса тока (Тупр), время нарастания напряжения на коллекторе высоковольтного транзистора (ТНар), амплитуду управляющего импульса тока (lynp) выбирают исходя из соотношений

г Тд-207 Тупр 20Т

Wn THap«2D :

In, - е N Vs S;

I I m Т нар I упр

2Т

упр

5

где е - заряд электрона;

N - концентрация равновесных носителей в коллекторе высоковольтного транзистора;

Vs - насыщенная скорость движения электронов в электрическом поле;

S - площадь коллекторного перехода высоковольтного транзистора;

Тд - время диффузии электронов через базу высоковольтного транзистора;

Dn - коэффициент диффузии;

Wn. Wp - толщина коллектора и базы соответственно.

Изобретение стносится 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 к импульсной технике, а именно к способам формирования высоковольтнмх перепадов напряжения наносекундноо диапазона с помощью полупроводниковмх приборов, и может быть использовано, напримео, для формирования импульсов накачки голупроводни- ковых лазеров. Известен способ формирования перепада напряжения на нагрузке с помощью тиристора путем Бездействия импульса тока жение на коллектор высоковольтного транзистора подают в момент окончания управляющего импульса тока, причем длительность тока управления (Тупр), время нарастания напряжения на коллекторе (Тнар), транзистора, амплитуда тока коллектора транзистора (н), величина импульса тока управления (lynp) удовлетворяют следующим соотношениям: W n W 2) п УПР Д 0) . W2 нар«207 2Dn

Фиг/

Фиг. 2

tpt/г.З

а

r

СриГ. Ц

4UQ&

JQ нс

шь