Способ формирования перепада напряжения

 

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 голупроводниковых 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК(я)5 Н 03 К 3/352

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ г

20„»тУпР > щг т-P «20"; и щ Т нар упр =

1 упр г

20 (2) m =еКЧ,Я (3) (4) 6

К АВТОРСКОМ) СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4848923/21 (22) 22.05.90 (46) 23.12.92. Бюл. М 47 (71) Физико-технический институт им.

А.Ф. Йоффе (72) В.И.Брылевский. В,M,Åôàíoâ, А.Ф.Кардо-Сысоев, И.А.Смирнова, И.Г.Чашников и

Д.И.Шеметило (56) 1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М,: Мир, 1984, 2. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов, — Л.: Знергоатомиздат, 1986. (прототип). (54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕПАДА НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится 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 высоковольтн ix перепадов напряжения наносекундногэ диапазона с помощью полупроводников., х приборов, и может быть использовано, напримео, для формирования импульсов накачки голупроводниковых лазеров.

Известен способ формирования перепара напряжения на нагрузке с помощью тирйстора путем воздействия импульса тока А2 1783606 А1 жение на коллектор высоковольтного транзистора подают в момент окончания управляющего импульса тока, причем длительность тока управления (Tynp). время нарастания напряжения на коллекторе (THap), транзистора, амплитуда тока коллектора транзистора (1п), величина импульса тока управления (lynp) удовлетворяют следующим соотношениям: где Ь â€” ; e — заряд электрона; N — концентрация равновесных носителей в коллекторе; Чз — насыщенная скорость движения электронов в электрическом поле, 5 —; Tg — время диффузии электронов через базу транзистора, 0n — коэффициент диффузии электронов в базе; И4 — толщина коллектора; Wp — толщина базы, 1 ил. управления на его управляющий электрод, Недостатками данного способа следует считать необходимость обрыва тока через тиристор для его выклю ения и большое время формирования перепада напряжения на нагрузке, обусловленное механизмом выключения тиристора.

Наиболее близким техническим решением является способ формирования перепада напряжения с помощью транзистора включенного с заземленным базовым элек1783606

Wp Wп

҄—, «Туп «2О (1) 2

Т нар « 2 0 (2) (3) Im -- e N V> S 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 < Unpo5 КБ за время tean и током I =1имп

max, Для примера у транзистора. КТ828А

Unpo6 КБ = 800 В 1вкл = 0,4 мкс !имп гпах =

7,5 А. Недостатком данного способа является большое время нарастания напряжения на нагрузке, определяемое временем включения транзистора. Например, для транзистора КТ828А время включения tenon = 0,4 мкс, (2)

Другим существенным недостатком данного способа является медленное выключение транзистора (большая величина твык). Этим способом невозможно обеспечить формирование перепада напряжения на нагрузке зэ 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 (Тиар), амплитуду кьллекторного (Im) и амплитуду управляющего импульса тока (Iynp); выбирают исходя из соотношений

I m Т нап

Т упр2 (4) где е — заряд электрона;

5 N — концентрация равновесных носителей в коллекторе высоковольтного транзистора;

Ve — насыщенная скорость движения электронов в электрическом поле;

10 S — площадь коллекторного перехода высоковольтного транзистора;

Тд — время диффузии электронов через базу высоковольтного транзистора;

Оп — коэффициент диффузии;

15 Рlп, ЧЧр — 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 напряже25 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 (t1) в процессе рассасывания (t2 + t5) и после завершения процесса восстановления обла35 сти объемного заряда (003) (тв).

На фиг.3 показана схема для реализации данного способа, где 1 — транзистор, используемый для формирования перепада напряжения на на40 груэке;

2 — сопротивление нагрузки (Rn);.

3- источник коллекторного напряжения (накопительный конденсатор);

4 — сопротивление, ограничивающее

45 коллекторный ток (В);

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

6 — источник питания для заряда нако50 пительных конденсаторов;

7-транзистор, являющийся ключомдля формирования импульса тока управления;

8 — тир истор, я в пя ющийся ключом, для формирования импульса тока коллектора;

55 9 — сопротивление шунта (R<), служащего для измерения тока через транзистор 1;

10 — сопротивление делителя для измерения напряжения нэ нагрузке;

1783606

11 — источник питания для заряда накопительного конденсатора в цепи формирования тока управления.

На фиг.4 приведены осциллограммы тока и напряжения, снятые в схеме, показанной на фиг,3 (в масштабе 200 В/см и 2 А/см по вертикали и 25 нс/см по горизонтали).

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

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

В исходном состоянии ток черезтранзистор отсутствует, оба его перехода находятся в состоянии теплового равновесия.

В момент времени t = 0 на эмиттер (n + слой) подается управляющий импульс тока с амплитудой ly>p и длительностью тупр, смещающий эмиттерный n + р + переход в прямом направлении. В течение периода тупр внешнее напряжение на коллектор не подается U<» = О. В этом случае через время, равное времени диффузии электронов через р + базу (тд.= Wp/2 Dp), коллектор перейдет в состояние насыщения и начнется инжекция дырок из р + базы в и слой коллектора. Т,к. напряжение на коллекторе и ток отсутствуют, то перенос в и-слое чисто диффузионный, и к концу импульса управления в и-слое образуется обогащенная носителями диффузионная квазинейтральная .область размером Lp Dn (Tynp Òä) или Оп тр если tp < {Тулр — Тд). После прохождения импульса тока заданной ампли гуды и длительности (см. уравнения (3) и (4) большая часть прошедшего заряда оказывается в и области, в диффузионном слое толщиной Lp, т.е. в коллекторе.

Распределение неосновных носителей в коллекторной области транзистора приведено на фиг,2, Следует отметить, что LpC 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 Lð. И второй этап — дрейфовый вынос равновесных носителей из коллектора, приводящий к расширению области объемного заряда (003) и быстрому росту напряжения на приборе. г

Т о. Условия Тудр « 2D . (3) и л

Ttiap « (б), накладывают ограниче83Р 2Р ния на толщину диффузионного слоя Lp. При

55 невыполнении условия (а), диффузионная область Lp распространится на большую часть толщины базы 04, 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 ц) включается источник коллекторного тока, смещающий коллектор в обратном направлении, и начинается процесс рассасывания носителей, накопленных в квазииейтРальном слое Lp коллектоРа (t2), После тока как концентрация неравновесных носителей у PN перехода достигается о (момент времени тз) начинает восстанавливаться область объемного заряда (003) в кол° лекторном слое (t4}, что приводит к повышению падения напряжения на приборе. После окончания рассасывания неравновесных носителей в коллекторе (t ) 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 = I> RH процесс восстановления области объемного заряда прекращается (tg), коллекториый переход остается в запертом состоянии, а эмиттерный находится в состоянии теплового равновесия.

Рассмотренные выше процессы рассасывания диффузионной области, полностью аналогичны процессам для р+ nn+ структур и подробно рассмотрены в работе(41. г

Условие тупр + ) — — должно выпол20Р няться для того, чтобы доля заряда, накопленного в диффузионной области Lp бь<ла 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.

1783606

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

Условие !упр = — - означает, что ! аТна 5

2Т упр заряд, накопленный в коллекторе должен обеспечивать поддержание тока в цепи в течение всего времени нарастания тока коллектора до максимального значения Im, При 10 это величина !упр. Тупр выражает внесенный за время Тупр заряд, à lm THap/2 — заряд, выносимый за время Тиар при возрастании тока коллектора от 0 до Im.

Кроме рассмотренных условий, следует 15 отметить еще одно, а именно вынос равновесных носителей на этапе быстрого нарастания напряжения должен производится током;

20 (5) - lm = С! !(Vs (6)

l=eNSV (7) l = e N S и Е = е М Б,и

VV u

Значит, сопротивление коллектора можно считать равным 45

R3K—

eNS,è (8) где,и — подвижность электронов.

Значит, сопротивление на-руэки R

RH» — -"-eNS,è (9) 55

Таким обра".,oì приходим к следующим условиям. налаlаемым на импульс тока упПри токе выноса меньшем !, уменьшается скорость нарастания напряжения на коллекторе, а при токе большем lm, возра- 25 стает падение напряжения на нейтральной области, что ухудшает форму формируемого перепада напряжения, Величина напряже ния, подаваемого на коллектор, должна быть близка к напряжению пробоя перехо- 30 да база — коллектор, но не должна превышать его.

Заметим, что нагрузка не должна шунтировать транзистор на этапе выноса носителей иэ коллектора. Ток выноса носителей 35 до достижения значения !,и выражается формулой (5): равления и форму импульса напряжения на коллекторе: (10) Im=eNV S! вТна! упр — —

2Т упр

2 — «Ту., «(12) М/и

Тнар<(2р„ (13) Таким образом, ограничения, накладываемые на импульс тока управления (!упр), длительность тока управления (Тупр), амплитуда напряжения на коллекторе (U ), время нарастания напряжения на коллекторе транзистора (Тпрр), приводят к уменьшению длительности формирования перепада .напряжения.

Покажем далее, что совокупность существенных признаков является новой по сравнению с решениями, известными в науке и технике.

В известных способах формирования перепадов напряжения на нагрузке с помощью транзистора, таких как включение с 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 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, который должен быть накоплен в коллекторе на стадии включения транзистора (для обеспечения протекания тока через него), на стадии выключения ухудшает (увеличивает) время выключения транзистОра, В предлагаемом техническом решении, используется раздельное накопление и рассасывание заряда в коллекторе. При этом заряд преимущественно рассасывается не диффузионным путем, как в приведенных выше способах, а с помощью дрейфового механизма выноса носителей, что и приводит к уменьшению длительности формирования перепада напряжения, Примером конкретной реализации данного способа служит схема, приведенная на фиг,3, Для формирования напряжения использовался серийный транзистор КТ 828 А, имеющий следующие параметры: Uäðoá КБ

= 800 В; импульсный ток коллектора I = 7.5

1783606

55

А: время включения tsKn = 0,4 мкс, время выключения 1выкл = 1 мкс; площадь прибора = 2 10 2 см2

Характерное значение концентрации примесей в коллекторе, т.е. кон((ентрации равновесных носителей, п = 5 10 см з. Параметр Тнар = 50 нс, 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;

„.,/2 0 .— 4

Т вЂ” Р— — - - — 0,16 10

20п 2 30 с =0,16 НС (14) W n (100 }

20Г1 230

С = 1,6 МКС (15) Выбранная в эксперименте длительность импульса тока управления Тудр = 200 нс отвечает условию 0,16 нс < - Тулр «1,6 мкс.

Значение времени нарастания напряжения на коллекторе определялось, как было сказано выше, параметрами используемого тиристора, при этом величина Тно(= 50 нс УДовлетвоРЯет Условию (2) формулы изобретения.

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

Im=qNVs S=1,610 (КЛ)510 (CM з)

10 (CM/С)2 10 (СМ2)= 16 А (16) Тогда величина тока управления:

1аа нар 16 (A ) 50 (НС(а

2 t y11p 2 200 (НС ) (1Л

Сопротивление нагрузки бралось равным 100 Ом.

1ОО 10 СМ

1610 (КЛ(61Ом(СМ6(21О (См(2102(С 1уОС(1О3

- —..у".-у - а= 200м < c RH

1.1,...>

В реализованной схеме используются два накопительных конденсатора 5 (100 мкФ) и 6 (0,4 мкФ); первичные ключи: транзистор (КП907В) и тиристор 8 (КУ 221 А), и транзистор 1 (КТ 828 А), В исходном состоянии конденсатор 5 заряжен до напряжения

U> =+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 (+) конденсатора, 5 — транзистор 7 — R -переход база-эмиттер транзистора 1 — (-) конденсатора 5, создавая импульс тока управления. Амплитуда импульса тока управления определялась сопротивлением канала транзистора 7 и напряжением U>, а длительность задавалась импульсом управления на затвб > транзистора 7. В нашем случае амплитуда тока (у11(0 = 2А; ту11р = 200 нс, после окончания импульса тока управления включался тиристор 8 и начинался разряд конденсатора 6 по цепи (+) конденсатора 6 — тиристор 8-4 (R )-переход коллектор — база транзистора 1 — R11j — (— ) конденсатора 6, чем формировался ток восстановления 1в. Величина тока восстановления определяется напряжением (U<) нэ конденсаторе 6 и сопротивлении 4 (Я = 40 OM), Сопротивление нагрузки 2 (R ar) подключалось параллельно коллектору и имело величину 100 Ом. Напряжение на коллекторе измерялось с помощью делителя на сопротивлениях 10 (1;20); ток — с помощью шунта. йш = 0,5 Ом.

На фиг.4 приведены экспериментальные 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 перепад напряжения, амплитудой 700 В и фронтом = 10 — 15 нс.

Таким образом, сравнивая время включения транзистора в режиме с общей базой (1вкл = 0,4 мкс) и полученное в случае реали-. зации способа. предлагаемого в заявке, получаем выигрыш по уменьшению времени нарастания напряжения на нагрузке в 27 раз. Уменьшение длительности формирования перепада напряжения позволяет создавать генераторы для управления оптическими затворами лазеров, для установок обнаружения (ефектов в линиях связи и линиях электропередач большой протяженности, Формула изобретения

Способ формирования перепада напряжения путем воздействия управляющим импульсом тока на эмиттер«о-базовую цепь высоковольтного транзистора с заземленной базой и напряжением на коллектор, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения области применения зэ счет уменьшения длительности фронта формируемого сигнала, напряжение на коллектор высоковольтного транзистора подверг в момент

1783606

12 окончания управляющего импульса тока, причем длительность управляющего импульса тока (Tymp), время нарастания напряжения на коллекторе высоковольтного транзистора (T>

Wó г

Tg=2D <<ТУпР 2Д И и

ТнаР(20 и

l.,-eNVsS;

l m Т на Y

Т упр где е — заряд электрона; и — концентрация равновесных носите5 лей в коллекторе высоковольтного транзистора;

Vs — насыщенная скорость движения электронов в электрическом поле;

S — площадь коллекторного перехода

10 высоковольтного транзистора;

Тд — время диффузии электронов через базу высоковольтного транзистора;

D> — коэффициент диффузии;

Wn, Wp — толщина коллектора и базы

15 соответственно.

1783606

1783606

50 нс

Составитель В.Врылевский

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор З,Салко

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 4521 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5