Grekhov等人基于半导体PN结在高偏压下的新效应设计了兩(liǎng)类元件，较好(hǎo)地满足了上述超快脉冲功率開(kāi)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開(kāi)关器件DSRD(driftSTeprecoverydevices)，该器件在功率放大器中用作開(kāi)关元件(SOS,semicONductoropeningswitch)，利用该開(kāi)关元件设计的固态调制器可产生脉冲長(cháng)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(bèi)认为是過(guò)压火花隙開(kāi)关的替代。采用這(zhè)类器件的调制器是基于附加的脉冲峰化作用，SOS在DBD兩(liǎng)端产生一个电压上升率极大的负电压，在這(zhè)種(zhǒng)电压源激励下，电流將(jiāng)在不到(dào)1ns的時(shí)间内通過(guò)DBD切换到(dào)负载。该类调制器能(néng)产生幅值几百kV,上升時(shí)间小于1ns,峰值功率达1GW,長(cháng)度1~2ns的脉冲。

　　1 延迟击穿開(kāi)关物理机制

　　半导体二极管延迟击穿效应由I.V.Grekhov等人發(fā)现。当某種(zhǒng)结构(如p+nn+)的硅二极管兩(liǎng)端快速加压到(dào)超過(guò)静态击穿电压時(shí)，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過(guò)本征材料区時(shí)，就(jiù)會(huì)發(fā)生ps级击穿，工作原理简述如下。

　　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：

　　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。

　　通過(guò)求解泊松方程，可以得到(dào)在常幅度电流密度J0反向(xiàng)施加于上述二极管時(shí)空间电荷区(SCR,space-chargeregion)中电场强度随時(shí)间的变化。SCR中時(shí)变电场值与临界击穿场强Ec值相交叉的点随時(shí)间向(xiàng)nn+ 结移动。通過(guò)简单的分析可以得到(dào)，当电流密度J0为常数時(shí)，该交叉点的移动速度：

　　表明：有可能(néng)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(chéng)是通過(guò)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(qǐ)的载流子产生所导致的电场减小的速度，那麼(me)在SCR中就(jiù)會(huì)产生E>Ec的区域，从而导致延迟击穿效应。

　　从前面(miàn)所述的延迟击穿開(kāi)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(dào)，器件n区的掺杂浓度取决于所需雪崩击穿电压值VBR,對(duì)脉冲功率技术应用来說(shuō)，VBR越大越好(hǎo)，所以ND越低越好(hǎo)。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(dào)，在雪崩击穿前，SCR中只有位移电流，對(duì)于具有常值dV/dt的外加脉冲来說(shuō)，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)。對(duì)图1所示器件，若dVA/dt≥4kV/ns,VA=4kV(代入公式(5)時(shí)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,满足發(fā)生雪崩的必要条件式(4)。

　　2 DBD器件仿真结果及分析

　　本文通過(guò)求解一组耦合、刚性、非线性方程组，并根据实际情况选择相关物理模型(迁移率、产生复合等)，获得关键半导体器件的宏观行为。重点對(duì)具有不同结构参数和物理参数的DBD器件在不同激励源下的延迟击穿效应進(jìn)行了仿真，研究了不同参数對(duì)延迟击穿半导体開(kāi)关二极管開(kāi)关特性(上升時(shí)间、脉冲宽度)的影响。仿真的器件结构和简化电路模型如图1所示，器件面(miàn)积为0.01cm2,p+ 区掺杂浓度NA=1019cm-3,n+ 区掺杂浓度ND=1019cm-3,负载R=50Ω。激励源具有常dV/dt上升沿的波，如图2所示，幅度为2.3kV,选择该波形是便于理论分析。

　　中带三角符号的实线表示峰值为2.3kV的输入驱动脉冲，刚開(kāi)始有一个小的前脉冲，然後(hòu)有一个小的上升，最後(hòu)是较快的上升，上升沿時(shí)间为300ps.另一条曲线表示50Ω负载的电压，即锐化後(hòu)的输出脉冲，从470V到(dào)峰值2.18kV处上升時(shí)间为90ps.可见DBD器件能(néng)有效地阻止前脉冲和慢的上升，在峰值电压处击穿(关闭)很快。

　　典型输入电压和输出电压波形

　　和图4分别表示DBD输出与其横截面(miàn)积及负载电阻的关系。Focia等人认为，器件面(miàn)积依赖于所需的功率控制能(néng)力，對(duì)输出负载却沒(méi)有提到(dào)。从仿真结果看，并不完全是這(zhè)樣(yàng)。从图3、图4可以看出，在一定面(miàn)积或负载电阻R 范围内，输出电压幅度几乎不变，上升時(shí)间则差不多单调上升;在该范围低端，当面(miàn)积或负载电阻减小時(shí)输出幅度单调下降，但上升時(shí)间却存在极小值。這(zhè)是因为在上述范围内，截面(miàn)积增加，则通過(guò)负载的电流增加，从而输出幅度变大，但加在负载上的电压的增加必然导致DBD兩(liǎng)端电位的下降，从而使雪崩电流减少，進(jìn)而导致输出电压减小，综合结果是输出幅度几乎不变，這(zhè)可以认为类似于负反馈情形。上升時(shí)间方面(miàn)，随著(zhe)R 或面(miàn)积的增加，DBD兩(liǎng)端电压的加载速率dV/dt下降，因而上升時(shí)间增加。在上述范围内，负载电阻改变時(shí)情形也一樣(yàng)。在上述范围以外，当面(miàn)积减小時(shí)，由于雪崩产生的等离子体数量有限，雪崩电流减小，因而输出幅度减小;R 减小時(shí)，电路中电流增加，DBD电压下降，导致输出幅度减小。上升時(shí)间方面(miàn)，情况比较复杂，不同R 時(shí)输入电压DBD端电压波形如图5所示，从图5可以看出，R 兩(liǎng)端的电压上升時(shí)间决定于DBD端电压的下降時(shí)间。随著(zhe)R 的减小，从图4可以得到(dào)，DBD端电压下降時(shí)间(即R 兩(liǎng)端的电压上升時(shí)间)在R=40Ω处存在极值。因为，随著(zhe)R 的進(jìn)一步减小，处于雪崩状态的DBD电阻相對(duì)变大，這(zhè)樣(yàng)DBD上的压降最小值(對(duì)应于R 上的最大值)增大，因此下降变化率减小，上升時(shí)间反而增加，故上升時(shí)间在R=40Ω处出现极值。面(miàn)积减小時(shí)的情形也很类似。

　　电压峰值及上升時(shí)间与负载电阻的关系

　　输入电压及不同负载時(shí)的DBD端电压波形

　　表示DBD输出随n区長(cháng)度的变化。从结果看，输出电压峰值對(duì)n区長(cháng)度变化存在极大值，而上升時(shí)间對(duì)n区長(cháng)度变化也存在极小值，且這(zhè)兩(liǎng)个极值所對(duì)应的n区長(cháng)度差不多。该值约等于器件在临界击穿時(shí)其SCR区(正好(hǎo)处于穿通状态時(shí))的長(cháng)度值。長(cháng)度低于该值，则临界击穿电压下降，输出峰值降低，上升時(shí)间增加;長(cháng)度大于该值，则雪崩区域增大，漂移時(shí)间增加，达到(dào)峰值所需時(shí)间增加，输出幅度下降。

　　电压峰值及上升時(shí)间随n区長(cháng)度的变化

　　表示DBD输出随激励源dVA/dt变化的情况，可以看出，当dVA/dt小于由式(4)和式(5)所确定的临界值(對(duì)图1所示的器件)，则输出电压为其静态击穿值，上升時(shí)间为输入信号上升時(shí)间;当dVA/dt超過(guò)其發(fā)生延迟击穿的临界值後(hòu)，输出幅度急剧增加，上升時(shí)间急剧减小，但变化很快趋于平缓。這(zhè)是因为随著(zhe)dVA/dt的增加，雪崩击穿电流增加，這(zhè)樣(yàng)加在负载电阻上的电压增加，从而加在DBD兩(liǎng)端的电压下降，這(zhè)必然导致雪崩电离率下降而致使电流下降，二者综合结果便會(huì)出现平衡的结局，所以并不是dVA/dt越大越好(hǎo)。

　　电压峰值及上升時(shí)间随激励源dVA/dt的变化

　　3 结 论

　　从DBD作为半导体開(kāi)关器件在负载上的输出脉冲幅度及上升時(shí)间兩(liǎng)方面(miàn)综合考虑，器件面(miàn)积、负载电阻、n区長(cháng)度及其掺杂以及激励源等因素，均對(duì)DBD器件性能(néng)有很大的影响。上升時(shí)间對(duì)于面(miàn)积和负载电阻均存在极小值，由于上升時(shí)间是关键指标之一，因此進(jìn)行面(miàn)积和负载电阻设计時(shí)应该选取该极值点，由于延迟击穿過(guò)程具有强烈的非线性，该极值点只能(néng)由仿真获得。其他方面(miàn)，n区長(cháng)度存在最佳值，理论上应为器件加载在所需临界击穿电压值而刚好(hǎo)处于穿通状态的長(cháng)度值，当然最好(hǎo)以仿真结果为准;n区浓度越低越好(hǎo)，因为浓度越低，击穿电压越高。输出激励源应适当高于满足式(4)所需的dVA/dt值，但不是越高越好(hǎo)，因为dVA/dt越高對(duì)前级的要求越高，然而产生的效果却沒(méi)有多大变化。至于p+ 区和n+ 区的長(cháng)度，沒(méi)有太大的影响，当然应大于其各自的穿通長(cháng)度，浓度则尽量高。