Способ формирования перепадов тока Советский патент 1982 года по МПК H03K6/04 H01L31/06 

(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕПАДОВ ТОКА Изобретение относится к области полупроводниковой импульсной техники и может быть использовано для формирования перепадов тока большой амплиттуды 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 1. Однако для формирования субнаносекундных препаратов тока время максвелловской релаксации в базе диода должно быть мало (меньше ), т. е., база диода должна быть сильно легирована (концентрация легируюш,ей примеси должна превышать W см-з). 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 оубнаносекундных перепадов тока, использующий только один активный элемент - полупроводниковый диод, состоящий из р-«-перехода и базового слоя, в котором создается тормозящее поле при приложении импульсов напряжения 2. Недостатком способа является то, что создание внутреннего тормозящего поля в базовом слое, осуществляемое путем создания градиента концентрации примесей в нем, приводит к сильному уменьшению напряжения пробоя р-л-перехода (как правило до 20-40 в), что резко ограничивает величину коммутируемой мощности. Кроме того, допустимая плотность тока в приводящем направлении и, следовательно, величина накопленного заряда, ограничена необходимостью сохранения низкого уровня инжекции в базовом слое, а рабочая площадь и, следовательно, ток через, прибор ограничены из-за большой удельной зарядной емкости низковольтного р-л-перехода. I Целью предлагаемого способа является |увеличение коммутируемой мощности. Эта цель осуществляется тем, что к диоду, состоящему из р-п-перехода и базового слоя, прикладывают в.запорном направлении постоянное смещение UQ, величину которого определяют из доотношения

и ,,,nV.qN,vi.

t/cT t/o-| l/Л / (Ъе, J

затем в том же направлении прикладывают нарастающий импульс напряжения, скорость нарастания которого V определяют из соотношения

(,,W,

V NW,

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 U,

где У„ - напряжение статического пробоя диода;

q - заряд электрюна; е,ео - диэлектрическая постоянная материала базовой области и вакуума соответственно;

насьоденная скорость дрейфа

V.

носителей в сильном поле в базовой области;

Nd - концентрация легируюшей примеси в базовой области; Um - суммарное напряжение на дио;де перед началом формирова ния перепадов тока;

W & - цшрина базовой области;

,. dLf

V -71 - скорость нарастания импульса

Ц

напряжения.

Л(1-6) и N(-5) - коэффициенты, зависянхие от конструкции диода.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематично изображены р-п-лереход 1, перенапряженная область 2, кривая распределения напряженности поля при постоянном смещении 3, распределение напряжепности поля при движении границы 003 4.

В основе предлагаемого способа лежат следующие физические процессы.

При приложении к р- п-перехюду 1 нарастающего импульса напряжения в запорном направлении образуется область объемного заряда (003). Распределение напряженности поля в ней показано кривой 3. Когда суммарное приложенное напрял ение превышает статическое напряжение пробоя t/cT , т. е. напряженность поля в области 2, прилегающей к p-f л-перехаду 1, превысит критическую величину кр, попадание 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 п+-контакта. Распределение поля при этом показано .кривой 4. Когда граница сильного поля достигает /г+-контакта, вся базовая область диода оказывается заполненной электронно-ды5 рочной плазмой, напряжение на диоде падает, а ток в нагрузке возрастает, т. е. формируется перепад то.ка. Крутизна нарастания тока определяется, таким образом, скоростью движения границы сильного поля. 10 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 15 границы идет довольно медленно с насыщенной скоростью дрейфа 5( 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 1„ (Vgo,), 25 где а- коэффициент ударной ионизации.

С ростом перенапряжения а возрастает экспоненциально, если, например, к диоду с напряжением статического пробоя 750 В приложить импульсное напряжение 1500В, 0 JO а 1,5- 10 см , с, скорость двпжения фронта намного больше V н определяется лишь величиной перенапряжения. Поэтому базовая область диода заполняется плазмой очень быстро, и формн35 руется очень крутой нерепад тока. Этот процесс лежит в основе предлагаемого способа, согласно которому для формирования перепада тока к диоду прикладывают сначала постоянное смещение в запорном направлепии, затем импульс перенапряжения в том же направлении, после чего вводят в перенапряжепнзю область носителя со стороны слабого поля в базовой области.

5 Необходимость предварительного приложения постоянного смещения вызвана тем, что, если нарастающий импульс напряжения начинается от нуля, то освобол дающиеся при расщирении ЮОЗ равновесные неосновные носители в больщом количестве непрерывно пересекают плоскость р-п-перехода и л авинный пробой всей площади р-«-перехода начипается сразу же по достижении 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 нанряжения. Если же до приложения импульса перенапряжения на диоде имеется запорное смещение, и, следова тельно, в базовой области есть 003, то освобождающиеся носители достигают плоскости р-я-перехода 1 не сразу, а через -время тз пролета 003. тз , где ооз - ширина 003 ири иостоянном смешении f/o; - поправочный коэффициент, определяемый процессами на границе 003 с квазинейтральной частью базовой области. В наших экспериментах А 1-6 в зависимости от конструкции образцов. Таким о бразом, создается задержка между током и напряжением, что дает возможность образовать перенапряженную область. Величина UQ с верхней стороны ограничена статическим напряжением лавинного пробоя С/о етНижняя граница UQ определяется тем обстоятельством, что освобождающиеся при расширении 003 носители должны попасть в перенапряженную область не раньше, чем напряжение на диоде достигнет требуемой величины Urn, т. е.

ЛW„,,V,V

и для резкого р-л-перехода

, UqNd /з

Uo

VA

Величина Um определяется, исходя из экспериментальной зависимости амплит гды перепада тока от U

(

где 6ст - напряжение статического пробоя;

В и С - коэффициенты, зависяш;ие от параметров диода и цепн.

Скорость нарастания импульса перенапряжения V выбирается из следующих со/ображений. В 003 всегда имеется некоторое количество носителей вследствие тепловой генерации. После того, когда напряжение на диоде достигает значения и„, эти носители, попадая в перенапряженную область, вызывают локальный пробой и образование плазменного канала, распространяющегося сквозь базовую область со скоростью Vs. Поэтому необходимо обеспечить такое V, чтобы напряжение на диоде достигло требуемой величины U раньше, чем плазменные каналы начнут ш нтировать базовую область, т. е.

.N- ,F,i

V- :NW,

где Л - коэффициент, зависящий от конструкции диода ( в наших экспериментах). Введение носителей в нереиапряженную 5 область может осуществляться различными способами при выполнении двух основных условий: носители должны достигать перенапряженной области одновременно с нарастанием приложенного напряжения до 10 Um.; носители должны непрерывна поступать в эту область в течение всего времени формирования перепада тока навстре-чу движению граниты области.

Так, например, носители можно ввести 15 импульсом света со стороны р-п-перехода. При этом длина волны света должна быть такой, чтобы характерная длина поглощения / была больше IFoos, начало нарастания ймнульса совпадало с моментом 0 нарастания приложенного напряжения до Um, а длительность нмпульса была болыще или равна длительности процесса формирования перепада тока.

Экспериментально была получена величина коммутируемой мощности 35 Л . 1,4 4,9 - 10 Вт с фронтом 0,3 нсек, что более чем на 4 порядка превышает комментируемую мощность прототипа при одинаковом быстродействии. Полу0 ченные результаты не являются предельными, имеются возможностей увеличения как коммутируемой мощности, так и быстродействия.

Предлагаемый способ может найти щн5 рокое применение в новейших радиолокационных системах, системах развертки сверхбыстродействующих ЭОП и осциллографах, в системах накачки лазеров.

Формула изобретения

40

Способ формирования перепадов тока с субнаносекундным фронтом с помощью полупроводникового диода, состоящего из

р-л-перехода и базового слоя, путем приложения к этому диоду импульсов напряжения, отличающийся тем, что, с целью увеличения комментируемой мощности, к диоду прикладывают в запорном направлении постоянное смещение UQ величину которого определяют из соотнощения:

„гVs Ws/gATdV/

,

1/Л

2вг„

55

после чего в том же нанравлении прикладывают нарастающий импульс напрялгения, скорость нарастания которого определяют из соотношения

(Г1 г/ м

V/ 1/ (

NW,

И В образовавшееся неренапряженн ао об65 ласть непрерывно вводят свободные носители навстречу движению границы этой области-при условии совпадения во времени моментов достижения свободными носителями указанной области и достижения напряжения на диоде величины Um, где и„ - напряжение статического про.боя диода; q - заряд электрона; е,8о - диэлектрическая проницаемость материала базовой области и вакуума, соответственно; Vs - насыщенная скорость движения носителей в сильном поле; Nd - концентрация легирующей примеси в базовой области; Um - суммарное напряжение на диоде перед началом формирова,ния перепадов така; 7g - ширина базовой области; у. rL - скорость нарастания импульса dt напряжения. Л 1-6 - коэффициент, зависящий от конструкции диода; коэффициент зависящий отконструкции диода. Источники информации, принятые ва внимание при экспертизе: 1.Богатырев Ю. К- Импульсные устройства с нелинейными распределительными. параметрами. М., «Советское радио, 1974,,. с. 70. 2.New step the cavity diode Murowave Journal V 8, № 3, 1965, p. 39 (прототип).

A 0

w/