Приборы и техника эксперимента, 2021, № 5, стр. 46-48

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для генерации наносекундных высоковольтных импульсов в широком диапазоне коммутируемой мощности используются дрейфовые Si-диоды с резким восстановлением (д.д.р.в.). Наносекундное восстановление блокирующей способности полупроводниковой структуры д.д.р.в. обеспечивается как конструктивными особенностями самой структуры, так и параметрами режима модуляции [1]. В реализованных высоковольтных генераторах на основе сборки из нескольких последовательно включенных Si-д.д.р.в. при амплитуде импульсов ≥2 кВ время нарастания напряжения составляет ≥1.5 нс, а длительность на полувысоте амплитуды (FWHM – full width at half maximum) достигает 2–3 нс [2, 3]. На основе эпитаксиальных Si-д.д.р.в. изготовлены генераторы высоковольтных импульсов амплитудой ~500 В, временем нарастания напряжения 0.5–0.7 нс и FWHM = (1.5–1.7) нс [4, 5].

Результаты первых экспериментальных исследований GaAs-д.д.р.в. [6] показали ряд фундаментальных и конструктивных преимуществ структур, выполненных на основе полупроводниковых материалов, обладающих большей по сравнению с Si шириной запрещенной зоны и большей подвижностью носителей заряда. Цель настоящей работы – экспериментальное подтверждение перспективы использования GaAs-д.д.р.в. для генерации субнаносекундных высоковольтных импульсов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Исследования были выполнены с использованием GaAs-p⁺–p–i–n–n⁺-структур, изготовленных методом жидкофазной эпитаксии из ограниченного объема раствора-расплава арсенида галлия в галлии. Диодные структуры имели характерный для д.д.р.в. профиль распределения концентрации примесей в p-, i-, n-областях. Градиент концентрации в базовых областях достигал двух порядков при: концентрации остаточной примеси ≤5 ⋅ 10¹⁴ см^–3 в i-области и концентрации акцепторной и донорной примесей на уровне ~2 ⋅ 10¹⁶ см^–3 на границе p–p⁺-области и ~5 ⋅ 10¹⁵ см^–3 на границе n–n⁺-области. Толщина W p-, i-, n-областей диодных структур изменялась в зависимости от технологических режимов и находилась в интервале значений: W_p = (20–30) мкм, W_i + W_n = (30–40) мкм. Площадь диодов составляла ~0.8 мм² и ограничивалась диаметром мезаструктур, изготавливаемых с помощью химического травления. Измеренные методом Лэкса времена жизни неравновесных носителей заряда в n-базе (τ_p) не превышали 100 нс. Максимальное блокирующее напряжение диодов U_b ~ 500 В было сопоставимо с U_b д.д.р.в., выполненных на основе Si с удельным сопротивлением 5 Ом ⋅ см [2]. Емкость GaAs-д.д.р.в. составляла 7–4 пФ при обратных напряжениях в интервале 200–500 В.

При разработке конструкции генератора для обеспечения предельно высокой рабочей частоты использовалось схемотехническое решение, позволившее минимизировать тепловыделение на единичном активном элементе схемы. На рис. 1 приведена схема двухтактного генератора, в котором длительность и амплитуда импульсов прямого (J_f) и обратного (J_r) токов формировались с использованием двух встречно-параллельных L–C-контуров. Логические микросхемы TTL и драйверы IXDD404SIA использовались при формировании управляющих сигналов I₁, I₂.

Рис. 1.

Принципиальная электрическая схема двухтактного генератора высоковольтных субнаносекундных импульсов с двумя встречно-параллельными L–C-контурами. ПТ₁–ПТ₄ – полевые транзисторы IRLML0040.

Схема работает следующим образом. При подаче импульса управления I₁ на затвор полевых транзисторов ПТ₁, ПТ₃ в течение первого полупериода колебаний симметричных L₁–C₁ и L₃–C₃ контуров через д.д.р.в. проходит ток накачки J_f = = 2J_max1. В момент смены направления тока при подаче импульса управления I₂ на затвор полевых транзисторов ПТ₂, ПТ₄ включаются контуры L₂–C₂ и L₄–C₄ обратного тока J_r = 2J_max2. Токи J_max1 и J_max2 ограничены волновым сопротивлением контуров ρ₁ = (L₁/C₁)^1/2 = (L₃/C₃)^1/2, ρ₂ = (L₂/C₂)^1/2 = = (L₄/C₄)^1/2, сопротивлением базовой области д.д.р.в. и сопротивлением транзисторов ПТ₁–ПТ₄. Минимальное время нарастания прямого и обратного тока составляло t* = 7 нс и ограничено временем срабатывания полевых транзисторов.

В ходе исследований были установлены условия быстрого восстановления блокирующей способности д.д.р.в., когда при выбранной скорости и длительности накопления и рассасывания неравновесных носителей заряда, в соответствии с [1, 6], наблюдалась необходимая синхронность момента истощения плазменного заряда в базе диода и момента формирования области объемного заряда p–n-перехода. Осциллограф DS06102A Agilent Technologies обеспечивал регистрацию переходных характеристик с временным разрешением ~200 пс. В измерительном тракте были использованы два 20 дБ аттенюатора. Для сохранения и дальнейшей обработки числовых данных использованы файлы текстового CSV-формата.

На рис. 2 приведена осциллограмма процесса переключения диода до момента резкого нарастания напряжения. В режиме формирования субнаносекундных импульсов длительность прямого тока t_f  составляла ≤20 нс. При напряжении U = 40 В максимальная величина накопленного в базе диода заряда достигала 120 нКл. При указанных длительностях прямого тока диффузионная модуляция слаболегированной базы диода отсутствовала.

Рис. 2.

Осциллограмма напряжения при переключении GaAs-д.д.р.в. до момента резкого восстановления. Напряжение питания U = 30 В.

Толщина диффузионного плазменного слоя L_D = (Dt_f)^1/2 при характерных для GaAs значениях коэффициента диффузии D = 20 см²/c не превышала 6 мкм. Остаточное сопротивление составляло ~ 1 Ом. Время задержки сигнала управления I₂ относительно I₁ было подобрано таким образом, чтобы обрыв обратного тока происходил в максимуме его амплитуды J_r. В результате обрыва тока в д.д.р.в. энергия, накопленная в индуктивностях L₂, L₄ контуров обратного тока, перебрасывалась за время ~L₂/(2ρ) в согласованную линию передачи с волновым сопротивлением ρ = R и затем в нагрузку R = 50 Ом. При этом амплитуда импульса на нагрузке достигала значений U_m = 2J_max2ρ.

Приведенная на рис. 3 осциллограмма выходного импульса генератора свидетельствует о достигнутых рекордно малых для дрейфовых диодов временах нарастания t_н и спада t_c напряжения: t_н = 0.43 нc, t_c = 0.53 нс – при длительности импульса на полувысоте FWHM, равной 0.72 нс. Разброс длительности задержки формирования выходного импульса относительно момента включения импульса управления I₂ не превышал значения, задаваемого стабильностью синхронизации измерительной схемы (~30 пс). Использованная электрическая схема генератора и динамические характеристики полевых транзисторов обеспечивали генерирование высоковольтных субнаносекундных импульсов на частотах вплоть до 200 кГц (период следования импульсов T = 5 мкс). При этом амплитуда напряжения, формируемого на нагрузке, в 14 раз превышала напряжение питания схемы генератора.

Рис. 3.

Осциллограмма напряжения на нагрузке R = = 50 Ом. Напряжение питания U = 39 В.

В отсутствие радиаторов и воздушной вентиляции активных элементов схемы общий объем, занимаемый элементами схемы двухтактного генератора с двумя встречно-параллельными L–C-контурами, ограничивался размерами 30 × 30 × 50 мм. Оценки показывают, что основное тепловыделение происходило на этапе нарастания и спада напряжения на активных элементах схемы. При сопоставимости суммарных динамических потерь на транзисторах ПТ₁–ПТ₄ и единичном GaAs-д.д.р.в. рабочая частота генератора ограничивалась возможностями транзисторных ключей и величиной рассеиваемой мощности в диодной структуре, плотность тока в которой достигала 1.5 кА/см².

Для анализа уровня достигнутых частотно-импульсных характеристик и оценки эффективности модуляции при повышенных частотах в табл. 1 приведены основные импульсные параметры генератора в зависимости от рабочей частоты. Здесь также указаны значения напряжения U, среднего тока i_п источника питания и полного коэффициента полезного действия η генератора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, экспериментально показана эффективность использования GaAs-д.д.р.в. для генерации субнаносекундных высоковольтных импульсов на частотах в несколько сотен килогерц. Установлено, что коэффициент полезного действия генератора во всем диапазоне частот был не ниже 25%. По ряду параметров подтверждено преимущество GaAs-структур, обладающих большей по сравнению с Si шириной запрещенной зоны и большей подвижностью носителей заряда. Так, плотность тока GaAs-д.д.р.в. более чем в 10 раз превосходит оптимальную плотность тока Si-д.д.р.в. Время нарастания напряжения и длительность импульсов на полувысоте амплитуды для GaAs-д.д.р.в. существенно меньше значений соответствующих параметров для Si-д.д.р.в. Последнее дает определенные преимущества при использовании GaAs-д.д.р.в. в короткоимпульсных модуляторах в системах сверхширокополосной электроники, так как снижение длительности строб-импульсов приводит к повышению общей помехозащищенности. Существующий интерес к разработкам такого рода устройств определяет необходимость дальнейших исследований, направленных на повышение амплитуды выходного импульса в генераторах на основе сборок из нескольких последовательно включенных GaAs-д.д.р.в.