CN100553130C - 超快脉冲功率开关器件及自激励皮秒量级功率脉冲发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超快脉冲功率开关器件，包括半绝缘超快半导体材料、空气隙、传输线和同轴端子依次连接构成。本发明还公开了一种自激励皮秒量级功率脉冲发生器，由高压直流电源与电阻、电容依次串联构成回路，高压直流电源的负极接地；超快脉冲功率开关器件与负载通过同轴传输线串联，该串联支路与所述的电容并联；超快脉冲功率开关器件的封装外壳接地。本发明不需要任何激光器触发，与现有技术相比整个结构简单、便携性好、成本低、抗恶劣环境能力强。

Description

超快脉冲功率开关器件及自激励皮秒量级功率脉冲发生器
技术领域
本发明属于电子设备技术领域，涉及一种超快脉冲功率开关器件，还涉及利用该超快脉冲功率开关器件制作的自激励皮秒量级功率脉冲发生器。
背景技术
超快功率脉冲发生器，特别是皮秒量级的功率脉冲发生器，是超高速电子学、超宽带通信、THz诊断、超宽带反隐形冲击雷达和电磁武器等领域的研发重点。目前的皮秒量级超短脉冲发生器的主流技术是光电技术，即用半绝缘超快光电半导体材料(GaAs、InP等)作为开关器件。光电半导体开关器件在暗态时能承受很高的直流偏置电压；当受到激光脉冲照射后，由于内光电效应产生大量的光生电子-空穴对参与导电，半导体电阻率迅速下降，开关导通；当光生载流子被电极吸收后，开关关断。如果激光的脉宽小于100皮秒，则在这一过程中，电路可产生功率大、上升沿陡峭且无晃动的纳秒，甚至是亚纳秒电脉冲，参见2004年6月(第53卷第6期)的《物理学报》论文《用光电导开关产生稳幅ps量级时间晃动超快电脉冲的研究》(施卫、马德明、赵卫等)。为了适应军用、民用需求，超短脉冲发生器必须尽可能小型化、低成本，工作可靠、抗恶劣环境能力强，显然，现有的皮秒激光脉冲发生器不能满足这些需求，存在以下缺点：皮秒量级的激光器配套电源和散热装置的体积庞大，导致价格昂贵；皮秒激光器自身对工作环境要求很高(如抗震动性差、对湿度要求高)；激光必须对准光电导开关的光窗或者用光纤引导，所以必须保证光控通路的结合可靠性。这些缺点源自使用了皮秒激光器，所以要从根本上克服这些缺点，就必须放弃这种光电结构。
利用气体放电技术也可产生亚纳秒的脉冲，如用高压氢气放电管作为开关器件，参见2006年1月(第25卷第1期)的《电工电能新技术》论文《一种亚纳秒高压脉冲源的研制》(李军浩、王晶、王颂等)，但是气体开关器件的通病是脉冲重复性差，关断拖尾长。
利用脉冲整形技术也可产生亚纳秒的脉冲，但是输出电脉冲的峰值功率很小，因此不适用于脉冲功率领域。如利用阶跃恢复二极管和短路线用来产生脉冲，用FET管来进行脉冲的放大和作为脉冲产生与脉冲整形两部分电路间的隔离，用肖特基二极管来减小脉冲的振铃，参见2007年10月(第28卷第10期)《兵工学报》论文《超宽带皮秒级脉冲发生器》(纪建华、费元春、周建明等)知峰值功率仅0.1W；如利用雪崩二极管在雪崩状态的导通瞬间获得陡峭上升沿，再经阶跃恢复二极管整形，参见2007年5月(第36卷第5期)《光子学报》论文《高功率激光装置中超快电脉冲发生器的研究》(行海、欧阳娴、刘百玉等)知峰值功率仅10.6W。
发明内容
本发明的目的是提供一种超快脉冲功率开关器件，克服了现有超快光电半导体开关器件需要超快激光器触发的缺点；克服了现有气体开关器件输出脉冲重复性差，关断拖尾长的缺点。
本发明的另一目的是提供一种自激励皮秒量级功率脉冲发生器，克服了现有光电电路需依赖皮秒激光器触发、现有气体放电电路脉冲重复性差和关断拖尾长，以及现有脉冲整形电路峰值功率小的缺点。
本发明所采用的一个技术方案是，一种超快脉冲功率开关器件，包括封装外壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部有一半导体晶片，半导体晶片上设置有两个共面的欧姆接触电极，每个欧姆接触电极都通过导电银胶与各自对应的微带传输线连接，微带传输线又与各自对应的同轴端子连接；在阴极侧的微带传输线上设置有空气隙。
两个欧姆接触电极之间距离与空气隙之比应大于10∶1。
微带传输线选用Al2O3双层覆铜板制作。
一种超快脉冲功率开关器件，包括封装外壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部设置有一半导体晶块，半导体晶块正对阳极同轴端子的端面上设置有一欧姆接触电极，该欧姆接触电极通过导电银胶与同轴芯连接，同轴芯与阳极侧的同轴端子连接；半导体晶块的正对阴极同轴端子的端面上也设置有一欧姆接触电极，该欧姆接触电极与阴极侧的同轴芯留有一定的空气隙，阴极侧的同轴芯与阴极侧的同轴端子连接；每个同轴芯与欧姆接触电极平面的正中心垂直对准。
两个欧姆接触电极之间距离与空气隙之比应大于10∶1。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种自激励皮秒量级功率脉冲发生器，包括高压直流电源，高压直流电源与电阻、电容依次串联构成回路，高压直流电源1的负极接地，其特征在于：超快脉冲功率开关器件与负载通过同轴传输线串联，该串联支路与所述的电容并联；超快脉冲功率开关器件的封装外壳接地。
本发明的脉冲发生器中所述的一种超快脉冲功率开关器件包括封装外壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部有一半导体晶片，半导体晶片上设置有共面的阴、阳欧姆接触电极，每个电极都通过导电银胶与各自对应的微带传输线连接，微带传输线与各自对应的同轴端子连接；在阴极侧的微带传输线上刻蚀有空气隙。
本发明的脉冲发生器中所述的另一种超快脉冲功率开关器件包括封装外壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部设置有一半导体晶块，半导体晶块正对阴、阳极的端面上各设置有一欧姆接触电极，阳极侧的欧姆接触电极通过导电银胶与同轴芯连接，同轴芯与阳极侧的同轴端子连接；半导体晶块的正对阴极的端面也安装有一欧姆接触电极，该欧姆接触电极与阴极侧的同轴芯留有一定的空气隙，阴极侧的同轴芯与阴极侧的同轴端子连接；每个同轴芯与欧姆接触电极平面的正中心垂直对准。
本发明的有益效果是，开关器件利用了气体开关和光电半导体开关的优点，克服了其需超快激光器触发而带来的成本高、体积大、抗恶劣环境能力差等一系列问题；脉冲发生器不需要任何激光器触发，输出的皮秒量级电脉冲重复性好、峰值功率大、上升下降沿光滑，整个电路结构简单、体积小、重量轻、造价低、抗恶劣环境能力强。
附图说明
图1是现有的皮秒量级功率脉冲发生器的电路原理图；
图2是本发明的开关器件微带传输横向型实施例的结构示意图；
图3是本发明的开关器件同轴传输纵向型实施例的结构示意图；
图4是本发明的功率脉冲发生器实施例的电路原理图；
图5是本发明的功率脉冲发生器输出单次脉冲与多次脉冲的波形比较图，其中a是单次脉冲波形图，b是1250次脉冲的叠加波形图。
图中，1.高压直流电源，2.电阻，3.电容，4.光电半导体开关，5.皮秒激光器，6.同轴传输线b，7.负载，8.超快脉冲功率开关器件，9.封装外壳，10.同轴端子a，11.同轴芯a，12.欧姆接触电极a，13.半导体晶块，14.半导体晶片，15.微带传输线a，16.导电银胶a，20.同轴端子b，21.同轴芯b，22.欧姆接触电极b，23.同轴传输线a，25.微带传输线b，26.导电银胶b。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1所示是现有的皮秒量级功率脉冲发生器的电路原理图。其电路结构中，高压直流电源1与电阻2、电容3依次串联构成回路，高压直流电源1的负极接地；光电半导体开关4经同轴传输线6和负载7串联构成的电路与电容3并联；光电半导体开关4的封装外壳9和同轴传输线6的外导体层(屏蔽层)接地。该电路中使用了皮秒激光器5向光电半导体开关4发出激光脉冲信号，光电半导体开关4再向负载7输出皮秒脉冲信号，整个电路需要依赖激光器触发。
本发明的超快脉冲功率开关器件，包括有两种结构，分别是微带传输横向型结构(见附图2)和同轴传输纵向型结构(见附图3)，两种结构的开关器件工作原理相同。超快脉冲功率开关器件主要由半绝缘超快半导体材料、空气隙、传输线和同轴端子串联构成，该开关器件必须满足以下基本条件：首先、半导体材料必须满足电阻率高、禁带宽、载流子寿命短的要求，半绝缘GaAs、InP、SiC等均可：例如采用非故意掺杂的半绝缘GaAs:EL2，其电阻率应大于1×107Ω·cm，电子迁移率大于＞2000cm2/V·s，表面闪络电场强度大于10kV/cm(实际应用中，为了避免表面击穿，可采用Si3N4钝化保护、高压绝缘材料封装的技术，以增加表面闪络电场强度)。半导体的阴极和阳极为欧姆接触电极，是用电子束蒸发工艺淀积Au/Ge/Ni合金，经退火处理与GaAs半导体形成欧姆接触。其次、半导体上欧姆接触电极之间距离与空气隙之比应大于10∶1。空气隙必须位于半导体的阴极一侧，否则该器件不能产生皮秒量级的超短脉冲，而是产生杂乱的波形。第三、传输线、同轴端子的特性阻抗应与负载匹配。
图2为本发明的开关器件微带传输横向型实施例的结构示意图，图中在封装外壳9的一端开口安装有阳极侧的同轴端子a10，在封装外壳9的另一端开口安装有阴极侧的同轴端子b20，在封装外壳9的内部有一半导体晶片14，半导体晶片14上设置有两个共面的欧姆接触电极a12和欧姆接触电极b22，其中的欧姆接触电极a12通过导电银胶a16与阳极侧的微带传输线a15连接，阳极侧的微带传输线a15与阳极侧的同轴端子a10连接。
欧姆接触电极b22通过导电银胶b26与阴极侧的微带传输线b25连接，阴极侧的微带传输线b25与阴极侧的同轴端子b20连接，在阴极侧的微带传输线b25上刻蚀有空气隙。
微带传输线用高导热性能的Al2O3覆铜板制作。空气隙是在微带传输线b25上用光刻方法得到，刻蚀面要求平整。导电银胶选用TK130-60低温固化导电银胶，导电银胶敷涂后需在常温下自然干燥固化24小时以上。
图3为本发明的开关器件同轴传输纵向型实施例的结构示意图。图中在封装外壳9的一端开口安装有阳极侧的同轴端子a10，在封装外壳9的另一端开口安装有阴极侧的同轴端子b20，在封装外壳9的内部有半导体晶块13，半导体晶块13的正对阳极的端面上设置有欧姆接触电极a12，该欧姆接触电极a12通过导电银胶a16与阳极侧的同轴芯a11连接，阳极侧的同轴芯a11与阳极侧的同轴端子a10连接。
半导体晶块13的正对阴极的端面也安装有欧姆接触电极b22，该欧姆接触电极b22与阴极侧的同轴芯b21留有一定的空气隙，阴极侧的同轴芯b21与阴极侧的同轴端子b20连接；同轴芯a11和同轴芯b21与各自对应的欧姆接触电极平面的正中心垂直对准。
封装外壳9采用不锈钢材料制作。
本发明的两种结构的开关器件的电特性具体体现在：第一、空气隙电离产生的电子，能作为半导体导带电子参与导电，具有调制半导体电导率的作用；第二、空气隙电离的雪崩倍增机制，增加了向半导体注入非平衡载流子的注入效率；第三、空气隙放电后分压变小，半导体上分压立即变大，高场下半导体对电子有很强的加速作用；第四、电子作为多子从半导体阴极电注入，扩散与漂移为同一方向，均对电流有贡献；第五、半绝缘半导体与空气隙之间动态分压，大大提高了开关的耐压能力；而且这种动态分压抑制了空气隙电子崩向流注的转变，迫使电离立即终止，大大提高空气隙的关断速度；第六、半绝缘半导体与空气隙均处于导通状态时，能量才能向负载释放，因为本发明选择了载流子寿命短、迁移率高的超快半导体材料，其导通时间远远小于空气隙的导通时间，所以本脉冲发生器的脉宽主要由超快半导体的导通时间决定，克服了气体隙开关开通和关断速度慢的缺点。
本脉冲发生器的输出电脉冲的脉宽(半高全宽)小于340ps，脉冲上升沿小于200ps，脉冲触发晃动小于4ps，幅度在20V～1000V可调，脉冲重复频率(0.2kHz～1kHz)±10％，功率峰值在800W以上。
如图4所示，为本发明的自激励皮秒量级功率脉冲发生器的电路连接示意图。包括高压直流电源1，高压直流电源1与电阻2、电容3依次串联构成回路，高压直流电源1的负极接地；经阳极端同轴传输线a23和阴极端同轴传输线b6，超快脉冲功率开关器件8和负载7串联构成的支路与电容3并联；超快脉冲功率开关器件8的封装外壳和同轴传输线的外导体层(屏蔽层)接地。
超快脉冲功率开关器件8是本发明的功率脉冲发生器的核心元件，它的参数和特性对超快脉冲的上升沿、下降沿、脉宽、幅值、波形等会产生最直接、最敏感的影响。
本发明的自激励皮秒量级功率脉冲发生器工作原理是：当超快脉冲功率开关器件8上偏置电压在空气隙放电阈值电压(即本脉冲发生器自激励阈值)以下时，因为超快脉冲功率开关器件8的半导体处于半绝缘状态，空气隙处于绝缘状态(此时偏置电压主要降在空气隙上)，所以器件不导通，电路处于断路状态，无电流通过负载。调节高压直流电源1使超快脉冲功率开关器件8上电压达到阈值以上，空气隙在高压下放电，因为空气雪崩电离产生能自由运动的电子和正离子，所以空气隙的电阻率迅速下降，分压变小，雪崩电离过程超快终止。与此同时，半导体上分压变大。空气隙内产生的自由电子在外加电场的作用下，进入半导体的阴极。其中能量高于半导体导带底的电子，能进入半导体并作为导带电子参与导电，称为非平衡载流子注入，使原本半绝缘半导体的电阻率迅速下降，超快脉冲功率开关器件8导通。这些导带电子在高电场条件下快速向阳极漂移，被阳极吸收后，半导体又恢复至半绝缘状态，超快脉冲功率开关器件8关断。这一电流过程在负载上表现为一个皮秒量级的脉冲。由于充电电容的能量瞬时释放，电容电压会下降。当电容电压再次被直流电源充电至超快脉冲功率开关器件8的自激励阈值以上时，空气隙才会再次放电，周而复始，重复以上脉冲产生过程。通过调节直流偏置电源大小，可以改变输出脉冲的幅值大小。
实施例
本实施例脉冲发生器的电路如附图4所示，其选用参数为：高压直流电源1为0～5000V可调直流高压电源，电容3为耐压6000V的0.1μF陶瓷电容器，电阻2为可调电阻。超快脉冲功率开关器件8的结构如附图2所示，其选用参数为：半导体晶片14的材料为半绝缘GaAs:EL2，电阻率5×107Ω·cm，电子迁移率5500cm2/V·s，半导体晶片14的尺寸为9.0mm×6.0mm×0.6mm，半导体晶片14上电极a12和电极b22的尺寸均为6.0mm×4.0mm，圆角半径均为1.1mm，电极a12和电极b22之间的距离为3.5mm，微带传输线b25上制作空气间隙0.2mm，微带传输线、同轴端子的特性阻抗均为50Ω。负载7用Lecroy公司WaveMaster 8600A(带宽6GHz)数字存储示波器作为50Ω负载。因为本发明的脉冲发生器的输出电压较高，所以在示波器前加了宽带0～18GHz、特性阻抗50Ω的60dB衰减器，示波器、衰减器均使用50Ω同轴传输线连接。
电路的测试：将电阻2调至10MΩ，当高压直流电源1的电压小于阈值电压800V时，示波器无信号显示；调节高压直流电源1大小，在大于800V后，就得到脉宽仅340ps左右且重复性很好的电脉冲，继续逐渐提高电压源电压，脉冲幅值随之增加，脉宽几乎不变。当电源电压为1500V时，输出电脉冲波形如附图5所示，图a是本发明功率脉冲发生器的单次脉冲波形图，输出电脉冲的脉宽为326ps，上升沿为191ps，下降沿为686ps，上升下降沿光滑；图b是本发明功率脉冲发生器的1250次脉冲叠加波形图，脉冲重复性好，晃动小于4ps，脉冲幅度晃动小于10％，平均幅度约200V，平均功率峰值约800W。
本发明的两种结构的超快脉冲功率开关器件利用了气体开关耐压高和通流能力强的优点，克服了其输出脉冲重复性差，关断拖尾长的缺点；利用了光电半导体开关触发晃动小、关断速度快的优点，克服了其需超快激光器触发的缺点。本发明的脉冲发生器利用了该超快脉冲功率开关器件作为核心部件制作，不需要任何激光器触发，整个结构简单、便携性好、成本低、抗恶劣环境能力强。

Claims (4)

1、一种超快脉冲功率开关器件，其特征在于：包括封装外壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部有一半导体晶片，半导体晶片上设置有两个共面的欧姆接触电极，每个欧姆接触电极都通过导电银胶与各自对应的微带传输线连接，微带传输线又与各自对应的同轴端子连接；在阴极侧的微带传输线上设置有空气隙；
所述的半导体晶片选用半绝缘超快半导体材料；所述的两个欧姆接触电极之间距离与空气隙之比应大于10∶1。
2、根据权利要求1所述的超快脉冲功率开关器件，其特征在于：所述的微带传输线选用Al2O3双层覆铜板制作。
3、一种超快脉冲功率开关器件，其特征在于：包括封装外壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部设置有一半导体晶块，半导体晶块正对阳极同轴端子的端面上设置有一欧姆接触电极，该欧姆接触电极通过导电银胶与同轴芯连接，同轴芯与阳极侧的同轴端子连接；
半导体晶块的正对阴极同轴端子的端面上也设置有一欧姆接触电极，该欧姆接触电极与阴极侧的同轴芯留有一定的空气隙，阴极侧的同轴芯与阴极侧的同轴端子连接；每个同轴芯与欧姆接触电极平面的正中心垂直对准；
所述的半导体晶片选用半绝缘超快半导体材料；所述的两个欧姆接触电极之间距离与空气隙之比应大于10∶1。
4、一种自激励皮秒量级功率脉冲发生器，包括高压直流电源，高压直流电源与电阻、电容依次串联构成回路，高压直流电源1的负极接地，其特征在于：超快脉冲功率开关器件与负载通过同轴传输线串联，该串联支路与所述的电容并联；超快脉冲功率开关器件的封装外壳接地；
所述的超快脉冲功率开关器件结构选用如下的一种方式：
所述的超快脉冲功率开关器件方式一的结构是，包括封装外壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部有一半导体晶片，半导体晶片上设置有共面的阴、阳欧姆接触电极，每个电极都通过导电银胶与各自对应的微带传输线连接，微带传输线与各自对应的同轴端子连接；在阴极侧的微带传输线上刻蚀有空气隙；所述的半导体晶片选用半绝缘超快半导体材料；所述的两个欧姆接触电极之间距离与空气隙之比应大于10∶1；
所述的超快脉冲功率开关器件方式二的结构是，包括封装外壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部设置有一半导体晶块，半导体晶块正对阴、阳极的端面上各设置有一欧姆接触电极，阳极侧的欧姆接触电极通过导电银胶与同轴芯连接，同轴芯与阳极侧的同轴端子连接；半导体晶块的正对阴极的端面也安装有一欧姆接触电极，该欧姆接触电极与阴极侧的同轴芯留有一定的空气隙，阴极侧的同轴芯与阴极侧的同轴端子连接；每个同轴芯与欧姆接触电极平面的正中心垂直对准；所述的半导体晶片选用半绝缘超快半导体材料；所述的两个欧姆接触电极之间距离与空气隙之比应大于10∶1。
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用光电导开关产生稳幅ps量级时间晃动超快电脉冲德研究. 施卫，马德明，赵卫等.物理学报，第53卷第6期. 2004
用光电导开关产生稳幅ps量级时间晃动超快电脉冲德研究. 施卫，马德明，赵卫等.物理学报，第53卷第6期. 2004 *
高功率激光装置中超快脉冲发生器的研究. 行海，欧阳娴，刘百玉等.光子学报，第36卷第5期. 2007
高功率激光装置中超快脉冲发生器的研究. 行海，欧阳娴，刘百玉等.光子学报，第36卷第5期. 2007 *

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101820270B (zh) * 2010-02-05 2012-05-02 重庆大学 一种高压皮秒脉冲发生器

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