На лавинном диоде

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ НА ЛАВИННЫХ ДИОДАХ

А.С. Карауш, Р.В. Потемин, С.П. Лукьянов, О.П. Толбанов

Представлен генератор видеоимпульсов наносекундной длительности, амплитудой от 40 до 300 В (в зависимости от типа используемого лавинного диода). Предложен в качестве ключевого элемента генератора лавинный GaAs диод (S-диод). Рассмотрены особенности работы генератора на S-диоде, предложены варианты по увеличению стабильности его работы.

В последние годы все большее развитие получают дистанционные неразрушающие методы интроскопии материальных сред, предполагающие использование силовой субнаносекундной импульсной техники. До сих пор существует также проблема возбуждения СВЧ-приборов, полупроводниковых лазеров и светодиодов, управления электрооптическими затворами, модуляторами, формирователями линейных разверток скоростных осциллографов и т. д..
Решение вышеперечисленных задач требует развития силовой субнаносекундной техники в сторону обеспечения большей пиковой и средней мощности, пикосекундного быстродействия, и все это при улучшении массогабаритных показателей и достижении более высокой эффективности устройств.

В настоящей работе авторы предлагают вниманию исследования, связанные с созданием импульсных устройств на основе достаточно нового класса полупроводниковых импульсных лавинных диодов (ДПИЛ или S-диоды ), обеспечивающих большие перепады тока при переходе из режима «выключено» в режим «включено». По совокупности параметров быстродействия и мощности ДПИЛ превосходят традиционно используемые полупроводниковые приборы.
Отличительной особенностью ДПИЛ является наличие в обратной ветви вольт-амперной характеристики участка отрицательного дифференциального сопротивления S-типа, разделяющего два устойчивых состояния: высокоомное с R~10 *9 Ом и проводящее с R~10 Ом.
Переключение ДПИЛ из одного состояния в другое происходит при достижении напряжения смещения выше порогового U=Uп, где Uп-напряжение переключения в проводящее состояние, достаточного для формирования лавинного пробоя... При переходе S-диода из "закрытого" состояния в "открытое" формируется мощный импульс тока до 15 А на согласованной нагрузке.
Известны ДПИЛ, которые позволяют получать видеоимпульсы с фронтом нарастания 0,1- 2 нс, при напряжениях включения 40...900 В и с частотами работы до 200 кГц. Благодаря низкому внутреннему сопротивлению в момент пробоя ДПИЛ, имеется возможность получать высокий КПД (реально 60-80%).
В основе механизма образования участков с отрицательным сопротивлением диода лежат процессы, связанные с перезарядкой глубоких центров с последующим формированием и распространением в структуре ДПИЛ волн ударной ионизации. Фронт лавины носителей заряда распространяется через базовую область структуры со скоростью в 2-7 раз превышающей предельную скорость дрейфа свободных носителей заряда в электрическом поле, V=8х10*6 В/См.
Если плотность тока в структуре i=10*4 А/См*2, то время переключения ДПИЛ может достигать tп~(0,1-0,3)tпр, где tпр=d/Vm - время пролета носителей заряда через высокоомный слой толщиной (d) c максимальной дрейфовой скоростью (vm).
При плотности тока в импульсе равном i=4х10*3 А/См*2 выполняется условие tп=tпр. К недостаткам S-диодов можно отнести зависимость напряжения включения S-диода от частоты повторения запускающих импульсов. Возможным способом устранения этого недостатка является подача обратного напряжения смещения. Кроме этого, наблюдается зависимость длительности фронта формируемого импульса и эффективности прибора от сопротивления нагрузки.

Структурная схема генератора наносекундных видеоимпульсов с амплитудой от 80 до 320 В и длительностью переднего фронта до 0,5 нс на основе серийно выпускаемого S-диода 3Д530А представлена на рисунке 1.

Схема управления ключевым каскадом - Импульс запуска ( 5В, 50...1000нс)Формировательсинхроимпульса Схема формирования управляющего напряжения запуска S-диодаСхема формированияотрицательного смещения S-диода S-диод Синхроимпульс- 25 ВВыход Ключевойтрансформатор-ный каскад.
Схема формирования импульса запуска предназначена для выработки управляющего напряжения ключевого каскада. На выходе трансформаторного ключевого каскада формируется импульс с фронтом 50 нс и амплитудой напряжения, достаточной для включения S-диода. В момент включения S-диода на выходе схемы формируется импульс с длительностью переднего фронта 0,5 нс и амплитудой равной Uп.
В то же время по фронту мощного импульса за счет обеспечения индуктивной связи между цепью S-диода и схемой формирования синхроимпульса формируется импульс амплитудой 5В и длительностью 10-100нс.
Для ускорения процесса восстановления высокого сопротивления S-диода на него подается отрицательное смещение. Питание генератора осуществляется от трех источников напряжений +5В, +25В и -25В. Потребляемая мощность генератора при частоте повторения 100 кГц составляет не более 5 Вт.

На рисунке 2 показана принципиальная схема генератора. Схема формирования по длительности импульса запуска выполнена на быстродействующей микросхеме DD1. Для изготовления импульсного трансформатор Т1 ключевого каскада использован ферритовый тороидальный сердечник 100ВЧ К16х8х6 ГОСТ 17141-76.
Первичная обмотка содержит 1 виток провода, а вторичная обмотка состоит из 80..100 витков в зависимости от требуемой величины напряжения запуска. Синхроимпульс на затворе транзистора VT2 формируется в момент резкого изменения величины тока, поступающего в нагрузку.
Выход генератора должен быть согласован с симметричной нагрузкой с волновым сопротивление 25 Ом, согласно данным таблицы 1.

Таблица 1

Зависимость параметров формируемых импульсов от величины сопротивления нагрузки (для S-диода с напряжением включения 120 В [2]). Согласно [2], формируемая амплитуда импульсов на выходе S-диода падает на 30-40% при увеличении частоты с 25 до 100 кГц.

Стабилизация амплитуды формируемых импульсов на выходе S-диода достигается подачей отрицательного смещения амплитудой 25 В, для более быстрого восстановления высокого сопротивления диода.

При использовании схемы отрицательного смещения амплитуда формируемых импульсов изменяется не более 10%.
В таблице 3 приведены результаты исследования напряжения включения S-диода при изменении частоты повторения, для нагрузки с сопротивлением 25 Ом.

Проведенные исследования позволили создать генератор мощных наносекундных видеоимпульсов на основе использования S-диодов с улучшенными тактико-техническими и экономическими показателями по сравнению с известными.
Такие генераторы могут найти широкое практическое применение и в других областях, например в качестве устройств запуска для мощных тиратронов и разрядников, для накачки полупроводниковых лазеров, для систем широкополосной радиолокации и ультразвуковой локации.