ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ ЛАВИННОГО ИМПУЛЬСНОГО S-ДИОДА С РЕГУЛИРУЕМОЙ АМПЛИТУДОЙ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к импульсной технике (МПК H01L 21/18; H01L 21/22; H01L 21/225; H01L 29/06; H01L 29/861), в частности к диодам полупроводниковым импульсным фотоэлектрическим и устройствам их переключения, и предназначена для использования в системах силовой импульсной электроники: -источниках питания мощных полупроводниковых светодиодов и лазеров; -диодов Ганна; -систем сверхширокополосной локации; -устройств целеуказания и дальнометрии гражданского и военного назначения. Малая длительность электрических и оптических импульсов (не более 1 нс) обеспечивает высокую точность при заданном быстродействии, увеличение мощности обеспечивает увеличение дальности распространения сигнала. Для современных систем сверхширокополосной локации и активной локации в инфракрасном диапазоне требуются портативные микроэлектронные устройства, обеспечивающие надежную генерацию мощных субнаносекундных импульсов с возможностью регулировки амплитуды в широком динамическом диапазоне. Регулировка амплитуды импульсов расширяет функциональные возможности генераторов.
+
п
Известны устройства (схемы автогенератора) электрического запуска лавинных импульсных S-диодов и диодов полупроводниковых импульсных лавинных (ДПИЛ) на основе арсенида галлия, легированного мелкой донорной примесью и глубокими акцепторными примесями железа и хрома [1-5]. В таких схемах на диод, изготовленный на основе π-ν-n- (или n-π-ν-n-) структуры, подается постоянное обратное смещение, равное пороговому напряжению включения U, так что S-диод переходит в открытое состояние, разряжая накопительную электрическую емкость через цепь нагрузки. Недостатком таких устройств являются относительно малая амплитуда импульсов коммутируемого напряжения (30-300 В) и высокая нестабильность переключения (более 1 мкс).
9
12
п
Указанные недостатки устраняются в других аналогах (прототипах) – в схемах обострения на лавинных S-диодах ([1] стр. 247-249). В данных схемах на S-диод подается импульсное напряжение со скоростью 10-10 В/с. За счет наличия задержки переключения S-диода поданное напряжение превышает напряжение статического порогового напряжения U в несколько раз (в 1.5-5 раз). При этом стабильность переключения увеличивается до нескольких десятков пикосекунд [1]. Однако амплитуда импульсов на выходе генератора в схеме обострения является фиксированной и задается скоростью нарастания импульсного напряжения на S-диоде. Изменение скорости нарастания напряжения приводит к изменению не только амплитуды выходного импульса, но задержки и стабильности генерации импульсов относительно задающего генератора [6]. Для регулировки амплитуды выходного импульса в схеме обострения возможно использование общепринятого подхода: введение ограничителей или делителей напряжения в выходной цепи генератора [7]. Это приводит к падению эффективности генератора пропорционально коэффициенту деления (ограничения), так как выходная цепь шунтируется бесполезной нагрузкой. Таким образом, снижение эффективности генераторов при использовании известных схем регулировки амплитуды выходного импульса является их основным недостатком.
Целью настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, то есть повышение эффективности регулировки амплитуды выходного импульса, без использования делителя либо ограничителя напряжения в выходной цепи генератора на лавинном S-диоде, построенного по схеме обострения с транзисторным ключом.
п
В предлагаемой модели это достигается тем, что пороговое напряжение переключения U лавинного импульсного S-диода регулируется за счет стационарного оптического облучения данного диода внешним источником с заданным уровнем оптической мощности. При увеличении мощности стационарной оптической засветки напряжение переключения S-диода понижается за счет образования неравновесных фотоносителей в активной области. Следствием этого является снижение амплитуды выходных импульсов генератора до требуемого уровня.
На фиг 1 показан схематический вид генератора на основе лавинного импульсного S-диода с регулируемой амплитудой импульсов, где цифрами обозначены:
1 - генератор импульсов постоянной амплитуды для переключения S-диода;
2 - источник питания;
3 - нелинейный преобразователь постоянного напряжения для питания излучателя;
4 - электрический конденсатор;
5 - лавинный S-диод;
6 - полезная электрическая нагрузка;
7 - полупроводниковый излучатель;
На фиг. 2 приведены экспериментальные зависимости напряжения переключения S-диода от стационарной оптической плотности мощности засветки для разных длин волн.
2
На фиг. 3 приведена экспериментальная зависимость напряжения переключения S-диода от длины волны падающего стационарного оптического излучения при интенсивности излучения 20 мВт/см.
п
п
Сущность изобретения заключается в использовании функциональных возможностей лавинного импульсного S-диода по оптической регулировке напряжения его переключения. Зависимость порогового напряжения переключения U от оптической мощности облучения объясняется двумя факторами. Во-первых, когда S-диод находится в закрытом состоянии при напряжении смещения, близком к U, напряженность электрического поля в активной области достигает величины, достаточной для ударной ионизации. При внешней засветке увеличивается вероятность попадания фотоносителей в канал микроплазмы S-диода, что приводит к возрастанию темпа лавинной генерации, так как он пропорционален концентрации свободных носителей [8]. Во-вторых, поглощение излучения в области пространственного заряда S-диода частично изменяет заполнение глубоких центров. Захват фотодырок на отрицательно заряженные глубокие центры хрома или железа увеличивает концентрацию некомпенсированного положительного заряда доноров в n-части электронно-дырочного перехода и приводит к снижению напряжения пробоя (переключения) S-диода [6].
9
12
п
п
Конструктивно генератор с регулируемой амплитудой импульсов состоит из генератора электрических импульсов постоянной амплитуды для переключения S-диода (1), источника постоянного питания (2), нелинейного преобразователя постоянного напряжения для питания излучателя (3), электрического конденсатора (4), лавинного S-диода (5), полезной электрической нагрузки (6) и полупроводникового излучателя (7). Источник 2 используется одновременно для источника питания излучателя 7 и генератора 1. Генератор 1 генерирует последовательность электрических импульсов с передним фронтом, обеспечивающим скорость нарастания напряжения 10-10 В/с. Электрические импульсы заряжают электрическую емкость 4. При переходе лавинного S-диода 5 в открытое состояние емкость 4 разряжается через цепь нагрузки 6 за собственное время переключения S-диода (менее 1 нс). Схема обостряющего генератора 1 реализована в виде транзисторного ключа, и напряжение постоянного питания U близко к амплитуде генерируемых импульсов на выходе (U ≈ U). В предлагаемом устройстве напряжение U подается также на нелинейный преобразователь постоянного напряжения 3, который предназначен для питания источника оптического излучения постоянным током 7. Характеристика преобразования напряжения выбирается с учетом вольт-амперной характеристики источника оптического излучения и обратной зависимости P = P(U), примеры которой даны на фиг. 2.
В качестве источника излучения может быть выбран светоизлучающий диод или полупроводниковый лазер с максимумом на длине волны из диапазона от 380 до 950 нм. Наиболее эффективным является использование диодов на основе GaAs или гетероструктур системы AlInGaAs, с максимумом на длине волны из диапазона 870-930 нм. На это указывает спектральная зависимость напряжения переключения S-диода, изображенная на фиг. 3 (в области 870-930 нм наблюдается минимум, что соответствует наибольшей эффективности управления S-диода оптическим излучением).
п
При более длинных волнах  (более 950 нм) эффективность управления напряжением переключения S-диода снижается в силу уменьшения коэффициента поглощения в области края фундаментальной полосы [8]. Ширина запрещенной зоны арсенида галлия, из которого изготавливается S-диод, составляет приблизительно  1.4 эВ, что соответствует длине волны 890 нм. В силу того, что в запрещенной зоне GaAs имеются хвосты плотности состояний, вызванные наличием дефектов (собственных структурных и примесных состояний) при поглощении излучения также возможны переходы для длин волн более 890 нм. Однако из-за экспоненциального спада плотности состояний к середине запрещенной зоны, вероятность таких оптических переходов резко снижается, чем вызвано снижение коэффициента оптического поглощения и снижение эффективности управления напряжением переключения S-диода (см. резкую зависимость функции U (λ) в диапазоне 900-1000 нм, фиг. 3). Эксперименты показывают, что для длин волн более 950 нм напряжение переключения при облучении совпадает с напряжением переключения без облучения (с учетом погрешности измерений, которая составляет не менее 10 %). В связи с этим, использование источников с длинной волны более 950 нм для регулировки амплитуды является нецелесообразным.
Увеличение напряжения переключения при уменьшении длины волны с 890 до 750 нм вызвано увеличением коэффициента поглощения и ростом потерь, связанных с поверхностной рекомбинацией фотоносителей [8]. Для длин волн менее 380 нм использование полупроводниковых излучателей является неэффективным. Это связано с отсутствием эффективных коммерческих ультрафиолетовых излучателей данного коротковолнового диапазона. Имеющиеся на рынке образцы ультрафиолетовых светодиодов обладают коэффициентом полезного действия не более нескольких единиц процентов при оптической мощности в единицы-десятки мВт.
0
0
вых
вых
п
0
п
п
вых
вых
п
п
Прямая вольт-амперная характеристика светодиодов в области излучения описывается зависимостью вида I = I·exp[eU/(nkT)], где I - сила тока, I , n, k, e - постоянные величины, T - абсолютная температура, U = U - напряжение питания светодиода 7. Зависимость оптической плотности мощности P от силы тока I в рассматриваемом диапазоне носит линейный характер с некоторым коэффициентом: P = K·I. Тогда преобразование напряжения функциональным узлом 3 должно быть реализовано по следующему закону: U = (nkT/e)·ln[P(U)/(K·I)]. В силу того, что зависимость P(U) является убывающей, то уменьшение напряжения питания U должно приводить к возрастанию U. Точный вид преобразования напряжения U(U) задается функцией P(U), которая является индивидуальной характеристикой каждого используемого S-диода.
п
ост
ост
п
В изложенной схеме регулировки амплитуда на выходе генератора на основе лавинного S-диода (на нагрузке 6) равна A = U - U (U - остаточное напряжение, соответствующее падению напряжения на лавинном S-диоде в открытом состоянии). Остаточное напряжение, как правило, составляет малую долю от напряжения переключения (не более 10-20%) и слабо зависит от напряжения [1, 2, 6]. В связи с этим, изменение U в схеме регулировки приводит к изменению амплитуды A.
2
-4
2
Эксперименты показывают, что рост оптической плотности мощности облучения на поверхности S-диода до 20 мВт/см на длине волны 870-930 нм позволяет снизить напряжение переключения S-диода в 2-3 раза (фиг.2). Более мощное облучение энергетически нецелесообразно. При коэффициенте полезного действия светодиода 10%, электрическая мощность, затрачиваемая на облучение активной области S-диода с площадью 2·10 см , не превышает 0.04 мВт. С другой стороны, в схеме с ограничением или делением напряжения в выходной цепи (прототипе) при снижении амплитуды в 2 раза потери электрической мощности составляют 50-100 мВт, так как предельные средние мощности S-диодов достигают 100-200 мВт [2]. Таким образом, в предлагаемом генераторе на основе лавинного импульсного S-диода потребление мощности при регулировке амплитуды оказывается на несколько порядков меньше по сравнению с прототипом.
Техническим результатом изобретения является возможность регулировки амплитуды выходных импульсов генератора на лавинном S-диоде без использования ограничителей или делителей напряжения в выходной цепи, а также увеличение коэффициента полезного действия такого генератора по сравнению с генератором, использующим для регулировки амплитуды делители или ограничители напряжения в выходной цепи. При этом в предложенной полезной модели за счет оптоэлектронного характера воздействия создается идеальная гальваническая развязка между выходной цепью генератора на S-диоде и цепью регулировки амплитуды.
Источники информации
1. Пикосекундная импульсная техника. / Под ред. В.Н. Ильюшенко, - М.: Энергоатомиздат, 1993. с. 263.
2. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник. / Под ред. Б.А. Наливайко, – Томск: МГП «РАСКО», 1992 – с. 74-75.
3. Толбанов О.П., Хлудков С.С. Способ изготовления полупроводниковых S-диодов. – А.С. № 1023962 (СССР).
4. Импульсный лавинный S-диод. Патент на изобретение № 2445724 от 20.03.2012. Авторы: Прудаев Илья Анатольевич, Толбанов Олег Петрович, Хлудков Станислав Степанович, Скакунов Максим Сергеевич. Патентообладатель: Томский государственный университет (ТГУ) (RU).
5. Импульсный лавинный S-диод. Патент на изобретение № 2609916 от 07.02.2017. Авторы: Прудаев Илья Анатольевич, Толбанов Олег Петрович, Хлудков Станислав Степанович. Патентообладатель: Томский государственный университет (ТГУ) (RU).
6. Хлудков, С.С. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия с глубокими примесными центрами / С.С. Хлудков, О.П. Толбанов, М.Д. Вилисова, И.А. Прудаев ; Под. ред. О.П. Толбанова - Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2016. - 258 с.
7. А.А. Титов. Защита полосовых усилителей мощности от перегрузок и модуляция амплитуды мощных сигналов / Изв. вуз. Приборостроение. - 2009. - Т.52, №9. - С. 58-62.
8. Зи, С. М. Физика полупроводниковых приборов. Т.1 /  С. М. Зи; пер. с англ. под ред. Р. А. Суриса. – М.: Мир, 1984. – 456 с.