ДВУХКАСКАДНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА

Полезная модель относится к импульсной технике (МПКH01L 21/18; H01L 21/22; H01L 21/225; H01L 29/06; H01L 29/861), в частности к диодам полупроводниковым импульсным и устройствам их переключения, и предназначена для использования в системах силовой импульсной электроники, работающих на нагрузку с низким электрическим сопротивлением: источники питания мощных полупроводниковых светодиодов и лазеров; диоды Ганна; импульсные устройства целеуказания и дальнометрии. Малая длительность электрических и оптических импульсов обеспечивает высокую точность при заданном быстродействии, а также низкое энергопотребление; увеличение импульсной мощности обеспечивает увеличение дальности локации. Для современных систем импульсной оптической локации ближнего действия (до нескольких сотен метров), устанавливаемых на беспилотных летательных аппаратах и автомобилях, требуются миниатюрные формирователи токовых импульсов с амплитудой до нескольких десятков ампер, обеспечивающие надежную генерацию наносекундных импульсов (единицы наносекунд) на низкоомную нагрузку (менее 1 Ом).
Известны схемы формирования токовых импульсов наносекундных длительностей на лавинных транзисторах, которые представляют собой кремниевые биполярные транзисторы с повышенной однородностью распределения электрического поля по площади коллекторного перехода. Особенностью таких приборов является возможность получения отрицательного сопротивления в цепи «эмиттер-коллектор». Малые размеры лавинных транзисторов позволяют создавать миниатюрные схемы питания полупроводниковых лазерных диодов. Однако максимально возможная амплитуда тока при длительности импульса 1 нс мала и составляет не более 5 А в цепи с минимально возможной паразитной индуктивностью [1]. Это связано с относительно большим временем переключения лавинного транзистора, которое превышает 1 нс в схеме генерации токовых импульсов.
Указанный недостаток устранен в других аналогах и прототипе - схемах генерации в электрическом режиме на лавинных S-диодах, изготовленных из арсенид галлиевых структур π-ν-n-типа, и легированных глубокой акцепторной примесью хрома или железа [2, 3]. В таких приборах переключение происходит сверхбыстро, за время, не превышающее 0.2 нс, что вызвано распространением токовых каналов (филаментов) в режиме коллапсирующих доменов сильного поля [3, 4]. Это позволяет повысить амплитуду токовых импульсов до нескольких десятков ампер при наносекундных длительностях [2 - 4].
На основе лавинных S-диодов предложены схемы электрического [5] и фотоэлектрического [6] запуска. В схемах электрического запуска максимально возможные токи достигают 50 А при относительно низком коэффициенте полезного действия (не более 1-5 % для остаточного сопротивления 10 Ом [5, 6]). В схеме с фотоэлектрическим запуском  эффективность достигает 25 % за счет использования однородной оптической засветки S-диода с заданной оптической мощностью и синхронного формирования нескольких каналов разряда в твердом теле [6]. Недостатком известного устройства фотоэлектрического переключения S-диода является необходимость использования громоздкого и дорогостоящего источника излучения для засветки - импульсного твердотельного лазера [6]. Как правило, подобные лазеры изготавливаются с использованием алюмоиттриевого граната в качестве активной среды; их масса превышает несколько сотен грамм, а объем – нескольких десятков кубических сантиметров.
Целью настоящей полезной модели является устранение указанного недостатка при сохранении высокого коэффициента полезного действия схемы генерации токовых наносекундных импульсов на низкоомную нагрузку, то есть снижение массы и габаритов устройства фотоэлектрического переключения S-диода за счет использования двух каскадов формирования токовых импульсов. При этом первый каскад представляет собой источник импульсного оптического излучения, включающий низковольтный лавинный S-диод в качестве коммутатора и полупроводниковый лазерный диод в качестве полезной нагрузки. Второй каскад представляет собой устройство фотоэлектрического запуска на высоковольтном лавинном S-диоде.
Сущность полезной модели заключается в замене источника оптического излучения на основе твердотельного лазера на каскад формирования оптических импульсов, в котором лавинный S-диод является ключевым элементом. Первый каскад позволяет сгенерировать последовательность оптических импульсов наносекундной длительности с плотностью мощности, достаточной для фотоэлектрического запуска лавинного S-диода второго каскада. Из-за использования в первом каскаде только микроэлектронных компонент его габариты не превышают одного кубического сантиметра, а масса – не более нескольких грамм. Для построения первого каскада используется известная схема обострения с низковольтным лавинным S-диодом [5], обеспечивающая накачку лазерного диода импульсным током до 10 А. Второй каскад предлагаемого устройства построен по известной схеме фотоэлектрического запуска высоковольтного S-диода [6].
На фиг. 1. изображен схематический вид предлагаемого устройства. Здесь Б1 - излучатель оптических импульсов, изготовленный с использованием низковольтного лавинного S-диода по схеме обострения (первый каскад); Б2 - блок синхронизации, формирующий задержку по времени t между электрическим и оптическим импульсами; Б3 - генератор электрических импульсов, изготовленный с использованием высоковольтного лавинного S-диода. Пунктирной линией показан второй каскад.
На фиг. 2 представлена временная зависимость тока, протекающего через нагрузку 1 Ом при генерации в схеме двухкаскадного фотоэлектрического формирователя.
Фиг. 3. Схема взаимного расположения элементов двухкаскадного формирователя наносекундных импульсов тока. Здесь 1 - кристалл S-диода первого каскада; 2 - конденсатор для поверхностного монтажа; 3 - кристалл лазерного диода; 4 - монтажная стеклотекстолитовая плата первого каскада; 5 - кристалл S-диода второго каскада; 6 - монтажная стеклотекстолитовая плата второго каскада; 7 - нагрузочное сопротивление для поверхностного монтажа. Штриховка - металлизация мотнажной платы. Жирные линии - проволочное электрическое соединение.
Конструктивно устройство состоит из трех блоков (фиг.1): Б1 - Излучателя оптических импульсов, изготовленного с использованием низковольтного лавинного S-диода по схеме обострения (первый каскад), Б2 - блока синхронизации, формирующего задержку по времени t между электрическим импульсом второго каскада и оптическим импульсом первого каскада, Б3 - генератора электрических импульсов, изготовленного с использованием высоковольтного лавинного S-диода (второй каскад).
9
12
п
п
п
п
з
з
н
Для генерации оптических импульсов в первом каскаде генератор импульсных напряжений ГИН 1 блока Б1 генерирует последовательность электрических импульсов с передним фронтом, обеспечивающим скорость нарастания напряжения 10-10 В/с. Электрические импульсы заряжают электрическую емкость С. При переходе низковольтного лавинного S-диода S1 в открытое состояние емкость C разряжается через цепь лазерного диода LD за собственное время переключения диода (менее 1 нс). При подаче с генератора импульсного напряжения ГИН 2 блока Б3 на высоковольтный S-диод второго каскада S2 обратного напряжения смещения U = U(U - напряжение переключения S-диода S2 в электрическом режиме), данный S-диод облучается оптическим импульсом первого каскада с мощностью P ≥ P (P - пороговое значение оптической мощности) с заданной задержкой блока Б2 по времени t < t (t - время задержки электрического переключения высоковольтного S-диода S2). В момент оптической засветки высоковольтный лавинный S-диод S2 переходит в открытое состояние с низким остаточным сопротивлением, что приводит к протеканию тока через низкоомную нагрузку R.
2
2
2
6
2
2
п
Проведенные эксперименты показали, что для переключения лавинного S-диода в фотоэлектрическом режиме необходимо использовать источник с интенсивностью не менее 150 Вт/смдля монохроматического излучения из спектрального диапазона 266 - 1064 нм (I=150-500 Вт/см) [6]. В качестве источника излучения предлагается использовать полупроводниковый лазер с максимумом на длине волны из диапазона от 380 до 950 нм. Наиболее эффективным является использование лазерных 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 [7]. При стандартных размерах излучающей области лазерного диода (апертуре), составляющей 250х10 мкм и коэффициенте электрооптического преобразования 2.5 Вт/А, интенсивность излучения на выходе из кристалла излучателя составляет 10 Вт/см при силе тока накачки 10 А. Возможность облучения кристалла S-диода второго каскада излучением с требуемой пороговой интенсивностью в 150-500 Вт/см обусловлена взаимным пространственным расположением первого и второго каскада.
3
3
3
3
Схема взаимного расположения двух каскадов устройства представлена на фиг.3. В силу расходимости лазерного излучения и ограниченной точности расположения электронных компонент на плате выбирается минимально возможное расстояние между каскадами. Опыт показывает, что данное расстояние не превышает 1-2 мм. Для первого каскада размеры кристаллов S-диода S1, полупроводникового лазера LD и накопительной емкости C не превышают 0.5х.05х0.5 мм, 0.5х0.3х0.2 мм и 3х2х1 мм, соответственно. Таким образом, общий размер излучателя первого каскада не превышает 1 см. Масса излучателя в основном обусловлена массой монтажной платы, которая не превышает нескольких грамм.
Техническим результатом полезной модели является снижение массы и габаритов фотоэлектрического устройства переключения лавинного S-диода за счет замены твердотельного лазера на основе алюмоиттриевого граната на компактный излучатель - генератор оптических импульсов на основе полупроводникового лазера и лавинного низковольтного S-диода в качестве коммутирующего элемента.
Источники информации:
1. Vainshtein, S. Miniature High-Power Nanosecond Laser Diode Transmitters Using the Simplest Possible Avalanche Drivers / S. Vainshtein, V. Zemlyakov, V. Egorkin, A. Maslevtsov, A. Filimonov // IEEE Trans. Power Electronics. - 2019. - Vol. 34, N 4. - P. 3689-3699.
2. 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).
3. Prudaev I.A. The Mechanism of Superfast Switching of Avalanche S-Diodes Based on GaAs Doped With Cr and Fe / I.A. Prudaev, V.L. Oleinik, T.E. Smirnova, V.V. Kopyev, M.G. Verkholetov, E.V. Balzovsky, O.P. Tolbanov // IEEE Trans. Electron Devices. - 2018. - Vol. 65, N 8. - P.3339-3344.
4. Vainshtein, S.N. Analyses of the picosecond range transient in a high-power switch based on a bipolar GaAs transistor structure / S.N. Vainshtein, Yuferev V.S., Kostamovaara J.T. // IEEE Trans. Electron Devices. - 2005. - Vol. 52, N 12. - P.2760-2768.
5. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник. / Под ред. Б.А. Наливайко, – Томск: МГП «РАСКО», 1992 – с. 74-75.
6. Устройство для фотоэлектрического переключения лавинного импульсного S-диода. Патент на полезную модель № 175209 от 28.11.2017. Авторы: Прудаев Илья Анатольевич, Толбанов Олег Петрович, Копьев Виктор Васильевич, Олейник Владимир Леонидович, Саркисов Сергей Юрьевич, Авдоченко Борис Иванович. Патентообладатель: Томский государственный университет (ТГУ) (RU).
7. Генератор на основе лавинного импульсного S-диода с регулируемой амплитудой импульсов. Патент на полезную модель № 181377 от 11.07.2018. Авторы: Прудаев Илья Анатольевич, Толбанов Олег Петрович, Копьев Виктор Васильевич, Олейник Владимир Леонидович. Патентообладатель: Томский государственный университет (ТГУ) (RU).