|
|
лаб. Оптоэлектронных явлений в гетероструктурах |
|
| Сотрудники | Статьи | История | Разработки |
Введение
Фотопроводящие полупроводниковые коммутаторы (PCSS) на основе полуизолирующих материалов широко используются для импульсных систем большой мощности, таких как широкополосные импульсные радиолокаторы, мощные импульсные лазеры, системы микроволнового и миллиметрового диапазона большой мощности. Среди известных PCSS приборов арсенид галлиевые PCSS привлекают значительный интерес благодаря их высокой чувствительности к оптическому воздействию. В отличие от кремния, основного материала для силовой электроники, гетеропереходы GaAs/AlGaAs позволяют преобразовывать оптический сигнал в электрический внутри приборной структуры. Эти принципы открывают новые возможности для конструирования силовых приборов.
Описание прибора
Конструктивно приборная структура Фотонно-Инжекционных Импульсных Коммутаторов (ФИИК) состоит из двух основных частей: высоковольтных плавных p-n переходов GaAs, являющихся базовыми областями коммутатора, и GaAs-AlGaAs светодиодов для оптического запуска прибора (рис. 1). Структуры ФИИК изготавливаются методом ЖФЭ (жидко-фазной эпитаксии). Как видно из Табл. 1, по своим динамическим и выходным характеристикам ФИИК с внутренней оптической связью между p-n переходами выделяются среди трёхэлектродных полупроводниковых переключателей.
Особенности генераторов на базе ФИИК (см. Таблицу 2 и Рисунок 2)
- Субнаносекундные времена нарастания и спада;
- Высокая радиационная стойкость и температурная стабильность параметров переключения;
- Пикосекундная стабильность момента переключения относительно импульса управления (jitter);
- Большая мощность на выходе при малых потерях энергии;
- Наносекундные времена задержки переключения относительно импульса управления (на порядок меньше, чем у генераторов на основе кремниевых приборов);
- Кроме того, важное практическое преимущество ФИИК - у него есть электрод управления (в отличие от большинства мощных быстродействующих коммутаторов). Это значительно упрощает его использование в схемах - не требуется применения внешнего лазера или специальной схемотехники для запуска прибора.
Сравнительные характеристики
Современные опубликованные данные ведущих фирм-производителей генераторных модулей сгруппированы в три таблицы по областям их применения. В Табл. 3 сравниваются характеристики высокоскоростных импульсных генераторов. Заметим, что GaAs ФИИК могут генерировать импульсы в широком диапазоне длительностей, включая и ультракороткие, вплоть до 0.5 нс. Это может быть использовано в широкополосных импульсных радиолокационных системах.
В Табл. 4 и 5 представлены параметры генераторов, используемых для запуска импульсных лазерных диодов. Такие генераторы, соединённые с импульсными лазерными системами большой мощности, используются для измерения времени пролёта сигнала от физических объектов, для измерения расстояния, скорости и ускорения объектов. Особенности конструкции и работы ФИИК позволяют реализовывать высокую разрешающую способность при модуляции ультракоротких оптических импульсов (Табл. 4) и желаемую оптическую мощность посредством увеличения амплитуды тока (Табл. 5).
Из таблиц видно, что генераторы на базе GaAs ФИИК имеют заметные преимущества:
- генераторы на базе GaAs ФИИК могут коммутировать как импульсы высокого напряжения, так и импульсы тока большой амплитуды;
- генераторы на базе GaAs ФИИК могут производить импульсы с субнаносекундными временами нарастания и спада;
- генераторы на базе GaAs ФИИК имеют лучшие частотные характеристики (частоты повторения импульсов) по сравнению с другими импульсными генераторами большой мощности.
| Параметр / группа ФИИК | # 1 | # 2 | # 3 |
|---|---|---|---|
| Допустимые напряжения в закрытом состоянии U, В | 400 | 600 | 800 |
| Импульсный ток в открытом состоянии I, А | 50 | 75 | 15 |
| Время нарастания импульса (по уровню (0.1÷0.9)I), нс | 0.25 (при 7 A) 1.5 (при 50 А) |
0.3 (при 15 A) 2.5 (при 75 A) |
0.2÷0.5 |
| Стабильность момента переключения Δt, пс | 100 | < 50 | ~ 50 |
| Максимальная частота повторения импульсов PRF, кГц | 5 (при 50 A) |
20 (при 15 A) |
100 (при ≤ 5 A) |
| Максимальная длительность импульса тока T, нс | 0.5÷100 | ||
| Минимальная задержка, нс | < 10 | ||
| Рабочие температуры, ºC | до 200 | ||
Замечания: При необходимости коммутировать бoльшие токи обычно приходится снижать длительности и частоты повторения импульсов. Также при коммутации токов максимальной амплитуды, как правило, увеличивается время нарастания тока, а также может ухудшиться стабильность момента переключения относительно импульса управления. Поэтому в реальных условиях работы (в генераторных схемах) приходится учитывать совокупность рабочих характеристик ФИИК (см. ниже).
| Модель генератора | Время нарастания, t, нс | Длительность импульса, T, нс | PRF, кГц | Амплитуда импульса U, В |
|---|---|---|---|---|
| GFT-1 | 0.3 | 0.5 - 20 | 50 | 250 |
| GFT-2 | 0.35 | 1.5 - 15 | 50 | 400 |
| GFT-3 | <1 | 5 - 20 | 5 | 1000 |
| GFT-4 | 1.5 | 5 - 15 | 1.5 | 2000 |
| Модель генератора | Время нарастания, t, нс | Длительность импульса, T, нс | PRF, кГц | Амплитуда импульса I, А |
| GFT-5 | 0.3 | 0.5 - 50 | 0 - 50 | 7 |
| GFT-6 | 0.3 | 3 - 50 | 0 - 20 | 15 |
| GFT-7 | 1.5 | 3 - 50 | 10 | 30 |
| GFT-8 | 2.5 | 5 - 10 | 5 | 75 |
 |
 |
 |
 |