延迟击穿开关二极管最佳参数的确定

随着现代超宽带(UWB)系统的发展，短脉冲功率发生器在高压脉冲功率和脉冲电晕等离子体技术等领域的应用日益广泛。对任何短脉冲功率发生器来说，超快脉冲开关都是核心部件，也是其性能好坏的关键因素。

这些开关应具有纳秒、亚纳秒开关能力，高重复率、高效率以及高开关时间稳定性(低抖动)等特点。常用的火花隙开关具有低损耗、高控制电压能力以及大开关电流等优点，但其电极寿命很短，脉冲重复率低且多开关同步系统很复杂。激光控制的光导开关抖动低，但寿命有限，且价格昂贵。

Grekhov等人基于半导体PN结在高偏压下的新效应设计了两类元件，较好地满足了上述超快脉冲功率开关的需求。第一类是基于pn结在高偏压下的超快电压恢复效应而设计的短路开关器件DSRD(driftSTeprecoverydevices)，该器件在功率放大器中用作开关元件(SOS,semicONductoropeningswitch)，利用该开关元件设计的固态调制器可产生脉冲长度3~8ns,脉冲功率50MW~1GW 级，电压50kV~1MV,脉冲重复频率达几kHz的脉冲。第二类器件为DBD,或者是SAS(siliconavalancheshaper)，是基于半导体PN结超快可逆延迟击穿效应而设计的，它被认为是过压火花隙开关的替代。采用这类器件的调制器是基于附加的脉冲峰化作用，SOS在DBD两端产生一个电压上升率极大的负电压，在这种电压源激励下，电流将在不到1ns的时间内通过DBD切换到负载。该类调制器能产生幅值几百kV,上升时间小于1ns,峰值功率达1GW,长度1~2ns的脉冲。

1 延迟击穿开关物理机制

半导体二极管延迟击穿效应由I.V.Grekhov等人发现。当某种结构(如p+nn+)的硅二极管两端快速加压到超过静态击穿电压时，器件在快速击穿前有几ns的延迟。当雪崩电离波以快于载流子饱和漂移的速度扫过本征材料区时，就会发生ps级击穿，工作原理简述如下。

对图1所示的半导体(硅材料)pn结二极管，其p+n结的静态击穿电压为：

(1)

式中：Ec为碰撞电离的临界电场强度;NA为p+ 区掺杂浓度，NA=1019cm-3;ND为n区掺杂浓度，ND=1014cm-3;ε为材料介电常数;q为电子电荷。

通过求解泊松方程，可以得到在常幅度电流密度J0反向施加于上述二极管时空间电荷区(SCR,space-chargeregion)中电场强度随时间的变化。SCR中时变电场值与临界击穿场强Ec值相交叉的点随时间向nn+ 结移动。通过简单的分析可以得到，当电流密度J0为常数时，该交叉点的移动速度：

(3)式表明：有可能产生一个速度比饱和漂移速度更快的雪崩电离波前，且可以把该波前看成是通过n区传播的电离波，并由此产生高电导的电子空穴等离子体。如果驱动二极管的电流足够大，以致电场增大的速度高于由于电离碰撞引起的载流子产生所导致的电场减小的速度，那么在SCR中就会产生E>Ec的区域，从而导致延迟击穿效应。

从前面所述的延迟击穿开关物理机制可看出，产生延迟击穿雪崩电离波的必要条件是：

式中：vs是载流子饱和漂移速度。

从(1)式可以看到，器件n区的掺杂浓度取决于所需雪崩击穿电压值VBR,对脉冲功率技术应用来说，VBR越大越好，所以ND越低越好。如果取ND=1014cm-3,vs=1.0×107cm/s,可得Jmin=160A/cm2,所以要求外加反偏电压所产生的电流密度至少大于160A/cm2.我们知道，在雪崩击穿前，SCR中只有位移电流，对于具有常值dV/dt的外加脉冲来说，它在SCR区中产生的位移电流：

式中：VA是加于二极管的电压;Vbi为内建电势(一般为0.5~0.8V)。对图1所示器件，若dVA/dt≥4kV/ns,VA=4kV(代入公式(5)时取负值，因为其正极加在n端，见图1)，利用公式(5)可算得Jd=183A/cm2,满足发生雪崩的必要条件式(4)。