УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЛАВИННОГО ИМПУЛЬСНОГО S-ДИОДА

Полезная модель относится к импульсной технике, в частности к полупроводниковым импульсным фотоэлектрическим диодам и устройствам их переключения, и предназначена для использования в системах силовой импульсной электроники: источниках питания полупроводниковых лазеров; мощных полупроводниковых светодиодов; диодов Ганна; в системах сверхширокополосной локации; устройствах 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, а снижение сопротивления диодов в открытом состоянии приводит к увеличению коэффициента полезного действия (КПД) систем. Для современных систем сверхширокополосной локации и активной локации в инфракрасном диапазоне требуются портативные микроэлектронные устройства, обеспечивающие надежную генерацию мощных субнаносекундных импульсов.
+
Известны устройства (схемы) электрического запуска лавинных импульсных S-диодов и диодов полупроводниковых импульсных лавинных (ДПИЛ) на основе арсенида галлия, легированного мелкой донорной примесью и глубокой акцепторной примесью железа (Пикосекундная импульсная техника/Под ред. В.Н. Ильюшенко, - М.: Энергоатомиздат, 1993. с. 263). В таких схемах на диод, изготовленный на основе π-ν-n- (n-π-ν-n-) структуры, подается импульсное обратное смещение, так что рабочая точка попадает на участок отрицательного дифференциального сопротивления на статической обратной ветви вольт-амперной характеристики. При превышении порогового напряжения S-диод переходит в открытое состояние. В данных приборах участок S-типа возникает за счет развития лавинных процессов с последующей перезарядкой глубоких уровней в области объемного  заряда  π-ν-перехода  и  развитием волны ударной ионизации  в высокоомной π-области. Быстродействие ДПИЛ определяется не дрейфовыми процессами, а прохождением волны ударной ионизации в области базы со скоростью, превышающей скорость дрейфа неравновесных электронов. Времена переключения лавинных S-диодов существенно меньше времен переключения аналогов - лавинных транзисторов и могут достигать 0,05 нс. Недостатком таких приборов является относительно малая амплитуда импульсов коммутируемого напряжения, обусловленная низким значением напряжения переключения 100-250 В (Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник/Под ред. Б.А. Наливайко, – Томск: МГП «РАСКО», 1992, с. 74, 75; Л.П. Иванов и др. Диод из арсенида галлия, легированного глубокими примесями для генерации токовых импульсов. Сб. Труды НИИПП, вып. 3, ч. I, 1973, с. 158).
Указанный недостаток устранен в ряде аналогов – в схемах генерации в электрическом режиме на лавинных S-диодах, изготовленных из полупроводниковых структур π-ν-n-типа, легированных примесью хрома. В частности, в таких приборах за счет легирования глубоким акцептором удельное сопротивление базы повышается на 3-4 порядка по сравнению с S-диодами, легированными примесью железа. Это позволяет повысить значение напряжения переключения (Способ изготовления полупроводниковых S-диодов. А.С. СССР № 1023962, опубл. 07.06.1985); Импульсный лавинный S-диод. Патент RU 2445724, МПК H01L 29/861, опубл. 20.03.2012). Однако остаточное сопротивление таких приборов оказывается относительно высоким (5-40 Ом), что приводит к снижению КПД в схемах электрического запуска. Например, при импульсном питании полупроводниковых излучателей, для которых полезная нагрузка включается последовательно с лавинным S-диодом, сопротивление в открытом состоянии составляет 0.1-0.5 Ом (Импульсный лавинный S-диод. Патент RU 2609916, МПК H01L 29/861, опубл. 07.02.2017. Прототип). В этом случае КПД генераторов с электрическим запуском лавинных S-диодов составляет не более 1-5 %.
Целью настоящей полезной модели является устранение указанного недостатка, то есть снижение остаточного сопротивления лавинных импульсных S-диодов на основе арсенид галлиевой структуры, полученной легированием хромом либо железом, и повышение КПД устройства.
2
з
Задача может быть решена за счет использования устройства фотоэлектрического переключения лавинного импульсного S-диода. Для этого устройство для переключения лавинного импульсного S-диода на основе структуры, полученной легированием GaAs хромом либо железом, содержащее генератор электрических импульсов, оборудовано генератором оптических импульсов, обеспечивающим облучение торцевой поверхности структуры импульсным оптическим излучением в диапазоне длин волн 266 - 1064 нм с интенсивностью излучения не менее 150 Вт/см. Между генератором электрических импульсов и генератором оптических импульсов выполнена электрическая связь в виде блока синхронизации, обеспечивающего задержку между электрическим и оптическим импульсами на время t, меньшее, чем время задержки электрического переключения t.
Сущность заявленного технического решения заключается в улучшении однородности распределения плотности тока в активной высокоомной области лавинного S-диода за счет использования однородной оптической инжекции фотоносителей в предпробойном состоянии π-ν-n структуры. Технический результат достигается благодаря тому, что лавинный импульсный S-диод переводится из закрытого состояния в открытое за счет однородной засветки полупроводникового кристалла импульсным оптическим излучением при приложенном электрическом смещении. При электрическом запуске (без оптического запуска) высокое остаточное сопротивление S-диода обусловлено наличием лишь одного разрядного канала. При использовании однородной оптической засветки с заданной оптической мощностью в твердом теле образуются нескольких каналов разряда, что в итоге приводит к снижению сопротивления S-диода в открытом состоянии.
н
На фиг. 1 изображена схема устройства для фотоэлектрического переключения лавинного импульсного S-диода. Здесь: I - генератор электрических импульсов положительной полярности; II - блок синхронизации, формирующий задержку по времени между электрическим и оптическим импульсами; III - генератор оптических импульсов; SD - лавинный импульсный S-диод; R - полезная нагрузка.
SD
R
На фиг. 2 представлены временные зависимости напряжения на диоде, оптической мощности и напряжения на полезной нагрузке. U - напряжение на S-диоде; P - оптическая мощность запускающего импульса; U - напряжение на полезной нагрузке.
На фиг. 3 представлена схема облучения структуры S-диода (стрелкой указано направление излучения).
Конструктивно устройство (фиг.1) состоит из трех блоков: генератора электрических импульсов I, блока синхронизации II, включенного между генератором электрических импульсов и генератором оптических импульсов, и генератора оптических импульсов III. Блок II формирует задержку по времени t между электрическим и оптическим импульсами. Оптическое излучение подают нормально торцевой поверхности кристалла с плоскопараллельной геометрией, т.е. параллельно плоскости контактов (фиг.3).
Устройство работает следующим образом.
п
п
п
п
з
з
ост
ост
При подаче на π-ν-переход обратного напряжения смещения U=U(U - напряжение переключения S-диода в электрическом режиме) S-диод облучается оптическим импульсом с мощностью P не меньше пороговой: P≥P (P - пороговое значение оптической мощности), с заданной задержкой по времени t<t (t - время задержки электрического переключения). В момент оптической засветки лавинный S-диод переходит в открытое состояние с остаточным сопротивлением R<R (R - остаточное сопротивление S-диода при электрическом переключении).
Инжектированные фотоносители, попадая в различные пространственно разнесённые области сильного электрического поля, инициируют процесс лавинного умножения с последующим захватом носителей заряда глубокими центрами примеси. При образовании положительной обратной связи между напряженностью электрического поля и плотностью тока лавинных носителей π-ν-n структура переходит в режим распространение волны ударной ионизации - возникновения локального обратимого электрического разряда в твердом теле.
Отличие фотоэлектрического режима работы от электрического заключается в том, что разряд происходит синхронно в нескольких локализованных областях структуры, что приводит к формированию нескольких устойчивых каналов протекания электрического тока в открытом состоянии S-диода. В итоге происходит уменьшение сопротивления S-диода в открытом состоянии.
п
ост
ост
2
В качестве источников оптического излучения могут быть использованы любые импульсные твердотельные или полупроводниковые источники вынужденного или спонтанного излучения, обеспечивающие требуемый уровень плотности мощности на поверхности кристалла. Проведенные эксперименты показали, что процесс фотоэлектрического переключения является пороговым и (независимо от длительности оптического импульса и длительности его переднего фронта) устойчивое переключение происходит при достижении оптической импульсной плотности мощности на поверхности кристалла I=150-500 Вт/см для монохроматического излучения из спектрального диапазона 266 - 1064 нм. При этом сопротивление S-диода в открытом состоянии составляет R≤0.2·R, где R - остаточное сопротивление S-диода при электрическом переключении.
Техническим результатом являются снижение неоднородности распределения плотности тока по площади электронно-дырочного перехода π-ν-n структуры в открытом состоянии, увеличение количества каналов разряда за счет более однородной оптической инжекции носителей заряда в активную область π-ν-n структуры и, как следствие, снижение сопротивления π-ν-n структуры в открытом состоянии и повышение КПД устройства.