CN112886385A - GaNFET作为用于快速激光脉冲发生器的储能器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及系统、电路和方法。示例系统包括光发射器件、第一场效应晶体管和第二场效应晶体管。光发射器件耦合到供电电压。第一场效应晶体管串联地耦合在光发射器件和地之间。第二场效应晶体管包括耦合到供电电压的漏极端子，并包括均耦合到地的源极端子和栅极端子。光发射器件被配置为基于通过第一场效应晶体管的电流发射激光光脉冲。
Description
本申请是申请日为2017年10月13日，申请号为201780063581.5(国际申请号为PCT/US2017/056492)，发明名称为“GaNFET作为用于快速激光脉冲发生器的储能器”的发明专利申请的分案申请。
背景技术
除非本文另有说明，否则本部分中描述的材料不是相对于本申请中的权利要求的现有技术，并且不通过在本部分中的包括而被认为是现有技术。
传统的激光驱动器电路可以向激光光(laser light)发射器件(例如，激光二极管)提供信号(例如，特定电流和/或电压)。反过来，激光光发射器件可以发射恒定的或脉冲化的激光光。然而，操作具有短脉冲长度和/或处于高频率或重复率的传统激光驱动器电路可能产生振铃(ringing)、不稳定、或其它不想要的影响。
例如，在传统的激光脉冲发生器电路中，振铃可以是由寄生电感、固定电容器、和开关场效应晶体管的寄生电容形成的LC协整(LC tank)的结果。增加固定电容器的值可以减少振铃，但是脉冲恢复也可能更慢。
发明内容
本公开一般涉及配置为提供激光光的脉冲的激光系统和激光驱动器电路。
在第一方面，提供了系统。该系统包括触发源、激光二极管、第一场效应晶体管、和第二场效应晶体管。激光二极管耦合到供电电压和第一场效应晶体管的漏极端子。第一场效应晶体管的源极端子耦合到地。第一场效应晶体管的栅极端子耦合到触发源。第二场效应晶体管的漏极端子耦合到供电电压。第二场效应晶体管的源极端子和第二场效应晶体管的栅极端子耦合到地。
在第二方面，提供了电路。该电路包括激光二极管、第一场效应晶体管、和第二场效应晶体管。激光二极管耦合到供电电压和第一场效应晶体管的漏极端子。第一场效应晶体管的源极端子耦合到地。第二场效应晶体管的漏极端子耦合到供电电压。第二场效应晶体管的源极端子和第二场效应晶体管的栅极端子耦合到地。
在第三方面，提供了系统。该系统包括光发射器件、第一场效应晶体管和第二场效应晶体管。光发射器件耦合到供电电压。第一场效应晶体管串联地耦合在光发射器件和地之间。第二场效应晶体管包括耦合到供电电压的漏极端子，并包括均耦合到地的源极端子和栅极端子。光发射器件被配置为基于通过第一场效应晶体管的电流发射激光光脉冲。
在第四方面，提供了电路。该电路包括：光发射器件、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管和控制器。光发射器件和第一场效应晶体管串联地耦合在供电电压和地之间。第二场效应晶体管与光发射器件和第一场效应晶体管并联耦合。控制器被配置为向所述第一场效应晶体管的栅极端子提供触发脉冲。光发射器件被配置为基于触发脉冲发射具有脉冲宽度的激光光脉冲。
在第五方面，提供了方法。该方法包括：用与光发射器件串联耦合的第一场效应晶体管来控制该光发射器件；和提供与同光发射器件和第一场效应晶体管并联耦合的第二场效应晶体管相关联的电容，其中该电容与电流相关联以对与光发射器件相关联的寄生电感进行补偿。
通过阅读以下详细描述，参考适当的附图，其它方面、实施例、和实施方式对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1示出了根据示例实施例的系统。
图2A示出了根据示例实施例的电路。
图2B示出了根据示例实施例的电路。
图3示出了根据示例实施例的集总电路。
图4示出了根据示例实施例的电压波形。
具体实施方式
本文描述了示例方法、器件、和系统。应当理解，词语“示例”和“示例性”在本文中用于意味着“用作示例、实例、或说明”。本文中描述为“示例”或“示例性”的任何实施例或特征不必要被解释为比其它实施例或特征更优选或更具优势。在不脱离本文提出的主题的范围的情况下，能够利用其它实施例，并且能够做出其它改变。
因此，本文描述的示例实施例不意味着限制。如本文一般描述的和在附图中示出的本公开的方面能够以各种不同的配置来布置、替换、组合、分离、和设计，所有这些都在本文中考虑。
此外，除非上下文另有所指，否则附图中的每一个中示出的特征可以彼此组合使用。因此，附图一般应被视为一个或多个整体实施例的组成方面，应理解并非所有示出的特征对于每个实施例都是必要的。
I.概述
激光脉冲发生器电路可以包括耦合到供电电压和第一场效应晶体管(fieldeffect transistor，FET)的漏极端子的激光二极管。第一FET的源极端子耦合到地。第一FET的栅极端子可以耦合到波形生成器或另一类型的触发源。激光脉冲发生器电路也可以包括其漏极端子连接到供电电压并且其源极端子和栅极端子连接到地的第二FET。
在示例实施例中，激光二极管可以配置为在非常短的脉冲长度(例如，2纳秒)之上提供激光光。在一些实施例中，第一和第二FET可以包括GaN(例如，GaNFET)或SiC(例如，SiCFET)。考虑其它类型的高压(100+伏)快速开关晶体管。例如，FET可以配置为用于微波应用。在一些实施例中，FET可以是倒装芯片或表面安装器件。
第二FET可以减少由于激光脉冲发生器电路中的寄生电感和电容而可能在这种短脉冲长度处发生的振荡(例如，振铃)。此外，第二FET可以减少或消除在其它RLC电路设计中常见的供电电压与地之间的负电压的发展(development)。
在示例实施例中，体二极管可以由连接第二FET的源极和漏极端子的p-n结形成。换句话说，体二极管可以充当非常快速的并联旁路二极管，并联旁路二极管可以在激光脉冲发生器电路的一些操作条件之下提供用于反向漏极电流(例如，续流(free-wheeling)电流)的路径。此外，在一些操作条件之下，第二FET可以充当具有与偏置(bias)成反比的电容的电容器。例如，利用GaNFET，相比于能量通过激光二极管放电的同时的电容，晶体管的电容可以在脉冲之后更高。
II.示例系统
图1示出了根据示例实施例的系统100的示意图。系统100包括触发源110、晶体管布置120、激光二极管130、和电源供应140。在一些实施例中，系统100可以包括可选的控制器150。
触发源110可以包括波形生成器、脉冲信号生成器、或配置为提供触发脉冲或触发信号的另一类型的器件。
激光二极管130耦合到供电电压，供电电压可以至少部分地由电源供应140提供。在示例实施例中，供电电压可以大于100伏。但是，用于供电电压的其它值也是可能的。
晶体管布置120包括第一FET 122和第二FET 124。在示例实施例中，第一FET 122和第二FET 124能够是NMOS(N-channel metal oxide semiconductor，n沟道金属氧化半导体)、增强型、表面安装晶体管。在这种情景下，激光二极管130可以耦合到第一FET 122的漏极端子。第一FET 122的源极端子耦合到地端子。第一FET 122的栅极端子耦合到触发源110。
第二FET 124的漏极端子耦合到供电电压(例如，电源供应140)。第二FET 124的源极端子和第二FET 124的栅极端子耦合到地。
控制器150可以包括至少一个处理器和存储器。在这种情景下，至少一个处理器可以运行储存在存储器中的指令以便实行本文描述的各种操作。作为示例，控制器150可以引起系统100经由一个或多个激光脉冲产生激光光。
在示例实施例中，控制器150可以引起触发源110提供触发脉冲信号以便引起激光二极管130发射激光脉冲。也就是说，控制器150可以配置为触发、调节、和/或控制来自激光二极管130的激光光的发射。
在一些实施例中，一个或多个激光脉冲可以包括少于2.5纳秒的脉冲宽度。然而，其它脉冲宽度是可能的并且在本文中考虑。
在示例实施例中，第一FET 122和第二FET 124可以包括氮化镓(GaN)。也就是说，在这样的示例中，第一FET 122和第二FET 124可以是GaNFET器件。
另外或替代地，第一FET 122和第二FET 124可以包括碳化硅(SiC)。也就是说，第一FET 122和第二FET 124能够是SiCFET器件。
此外，第一FET 122和/或第二FET 124可以包括高电子迁移率晶体管(highelectron mobility transistor，HEMT)。
第一FET 122和/或第二FET 124能够是以表面安装器件的形式。然而，考虑用于第一FET 122和/或第二FET 124的其它形式因子。
在一些实施例中，第二FET 124可以配置为减少系统中的振荡。具体地，第二FET124可以配置为减少或消除第一FET 122的漏极端子与源极端子之间的负电压。在示例实施例中，在系统100的一些操作条件之下，第二FET 124可以包括体二极管，体二极管可以由连接第二FET的漏极与漏极端子的p-n结形成。这样，体二极管可以充当并联旁路二极管，并联旁路二极管可以提供用于反向漏极电流(例如，续流电流)的路径。如本文其它地方所述，第二FET可以充当具有与偏置成反比的电容的电容器。例如，GaNFET可以包括相比于能量通过激光二极管130放电的同时的电容在脉冲之后更高的电容。
在一个实施例中，系统100可以包括连接在第一FET 122的漏极端子与供电电压140之间的返回二极管。
应该理解，系统100的元件的其它布置是可能的并且在本文中考虑。具体地，虽然本文的实施例可以涉及增强型NMOS FET，但是本领域普通技术人员将理解，电路200的许多其它变化可能提供快速开关能力和/或提供亚2.5纳秒(sub-2.5nanosecond)激光光脉冲宽度。例如，能够修改系统100以将第一FET 122和/或第二FET 124容纳为PMOS(P-channelMetal Oxide Semiconductor，P沟道金属氧化物半导体)型和/或耗尽型FET。所有这些变化都在本公开的范围内考虑。
控制器150可以包括一个或多个处理器152和存储器154。一个或多个处理器152可以是通用处理器或专用处理器(例如，数字信号处理器、专用集成电路等)。一个或多个处理器152可以配置为运行储存在存储器154中的计算机可读程序指令。这样，一个或多个处理器152可以运行程序指令以提供本文所述的功能和操作中的至少一些。
存储器154可以包括或采取可以由一个或多个处理器152读取或访问的一个或多个计算机可读储存介质的形式。一个或多个计算机可读储存介质能够包括可以整体地或部分地与一个或多个处理器152中的至少一个集成的易失性和/或非易失性储存组件，诸如光学、磁性、有机或其它存储器或盘储存器。在一些实施例中，存储器154可以使用单个物理器件(例如，一个光学、磁性、有机或其它存储器或盘储存单位)来实施，而在其它实施例中，存储器154可以使用两个或更多个物理器件来实施。
如所指出的，存储器154可以包括与系统100的操作有关的计算机可读程序指令。这样，存储器154可以包括用于执行或促进本文描述的功能的一些或全部的程序指令。
III.示例电路
图2A示出了根据示例实施例的电路200。电路200可以与关于图1所示和所述的系统100类似或相同。电路200的元件的一些或所有可以与系统100的对应元件类似或相同。
电路200包括激光二极管230、第一FET 230、和第二FET 260。电路200也可以包括电压源240、触发源210、和控制器250。
在示例实施例中，激光二极管230耦合到可以至少部分地由电压源240提供的供电电压242。激光二极管230也耦合到第一FET 220的漏极端子224。第一FET 220的源极端子226耦合到地端子280。在一些实施例中，供电电压可以大于100伏。
此外，第二FET 260的漏极端子264耦合到供电电压242。第二FET 260的源极端子266和栅极端子262耦合到地端子280。结果，源极端子266、栅极端子262、和地端子280都处于基本相同的电压。
没有第二FET 260，在短脉冲宽度(例如，少于5ns)和/或高重复率处，寄生电感270可能提供不期望的电路行为，诸如振铃或其它效应。然而，通过将源极端子266和栅极端子262耦合到地，第二FET 260可以作为固定或可变电容器操作。第二FET 260的电容值可以提供对寄生电感270的补偿。
在一些实施例中，第一FET 220的栅极端子222可以耦合到触发源210。在这种情景下，触发源210可以耦合到控制器250。触发源210可以是信号生成器，诸如泰克3390任意波形生成器。然而，触发源210可以附加地或替代地是配置为向栅极222提供连续的或脉冲化的电压信号的任何其它器件或定制电路(例如，专用集成电路、ASIC或现场可编程门阵列、FPGA)。作为示例，触发源210可以包括派更半导体PE29100高速FET驱动器。
在示例实施例中，第一FET 220可以是NMOS增强型FET。也就是说，当触发源210提供信号使得“高”栅极-源极电压(例如，栅极222与漏极226之间的电压)大于零时，第一FET220可以基本上操作为“导通”或者类似于关闭的开关。当触发源210提供“低”栅极-源极电压(例如，栅极222与漏极226之间的零伏)时，第一FET 220可以操作为“截止”或类似于打开开关。
在这样的场景中，触发源210可以可操作以向栅极222提供触发脉冲，使第一FET220“导通”并且引起激光二极管230发射激光光脉冲232。在示例性实施例中。激光光脉冲232可以具有少于2.5纳秒的脉冲宽度。此外，触发源210可以可操作以提供触发脉冲的脉冲序列以便引起激光二极管230发射激光光脉冲232的激光脉冲序列，脉冲序列的每个激光脉冲具有少于2.5纳秒的脉冲宽度。
本领域普通技术人员将理解，电路200的许多其它变化可能提供快速开关能力和/或提供亚2.5纳秒的激光光脉冲宽度。例如，能够修改电路200以使第一FET 220和/或第二FET 260适应为PMOS型和/或耗尽型FET。所有这些变化都在本公开的范围内考虑。应当理解，其它电路243可以包括在电路200中。在这种情景下，其它电路243能够包括例如可以在比第二FET 260和/或激光二极管230更慢的时间尺度之上操作的电路。
可选地，第一FET 220或第二FET 260中的至少一个可以是高电子迁移率晶体管(HEMT)。即，HEMT能够包括半导体异质结构(例如，GaAs/AlGaAs、AlGaN/AlN/GaN等)。附加地或替代地，第一FET 220或第二FET 260可以是高速高功率晶体管。此外，如本文其它地方所述，第一FET 220和/或第二FET 260能够包括GaN，诸如高效功率转换公司EPC2010C NMOS表面安装GaN增强型功率晶体管。附加地或替代地，第一FET 220和/或第二FET 260可以包括SiC。例如，第一FET 220和/或第二FET 260可以是疾狼/科锐(Wolfspeed/Cree)C3M0120090J-TR SiC N沟道表面安装FET。本文考虑了其它FET器件类型和材料。
图2B示出了根据示例实施例的电路290。电路290的元件可以与电路200的对应元件类似或相同，如关于图2A所示和所述。电路290可以包括返回二极管292，返回二极管292能够是半导体二极管器件，诸如中央半导体CMPD914TR表面安装开关二极管。
图3示出了根据示例实施例的集总电路300。集总电路300的元件可以是电路200和290的各种元件的集总电路模型表示，分别如关于图2A和图2B所示和所述。例如，集总电路300可以是第一FET 220“导通”并且激光二极管230发射光232时的电路200的示意图。在这种情景下，集总电路300可以包括寄生电感270、特征电容310、和特征体二极管312。特征电容310可以基于第二FET 260。在这种情景下，储存在特性电容320中的能量可以在脉冲宽度的纳秒时间尺度期间向激光二极管提供电流。电源供应可以在更慢得多的时间尺度之上对特征电容320再充电。特征电容310的值可以基于例如跨越激光二极管230的电压而变化。在一些实施例中，寄生电感270和特性电容310的组合可以提供配置为提供亚2.5纳秒激光脉冲宽度的RLC电路。这样，集总电路300内的电荷可以“续流”而不是在电路内振荡。
此外，在初始脉冲之后并且一旦通过激光二极管的电流开始减小，第二FET 260可以包括可以防止漏极到源极电压反转的特性体二极管312。通过防止这种电压反转，可以减少或消除振铃。换句话说，当以高速开关第一FET时，第二FET 260可以减少或消除供电电压242与地之间的负电压的发展。
这样，第二FET 260及其相关联的特性电容310和特性体二极管312可以减少或消除与以短脉冲宽度和/或以高重复率驱动第一FET 220和激光二极管230相关联的振铃。
虽然第二场效应晶体管124和第二FET 260特性化为场效应晶体管，但应理解，具有与第二场效应晶体管124和第二FET 260相同特性的另一电气器件能够在本公开的范围内被替换。也就是说，可以使用另一类型的电路元件，诸如p-n二极管、肖特基二极管、反激二极管(flyback diode)、或续流二极管等来代替第二场效应晶体管124或第二FET 260，以减少或消除激光脉冲发生器电路中的振铃。
图4示出了根据示例实施例的电压波形400和410。即，电压波形400和410可以分别表示没有和有第二FET 260的单个激光脉冲操作期间跨越激光二极管230的电压。
例如，电压波形400可以涉及其中电路200不包括第二FET 260的示例。在这种情景下，波形400包括期望脉冲402但也可以包括振铃振荡404。这种振荡404可以减少激光二极管230的操作寿命，引起不想要的激光光发射，和/或限制最大可能的激光重复率。
将第二FET 260包括到电路200中可以提供更好的器件操作特性。例如，激光脉冲412可以具有少于2.5纳秒的全宽半最大值(full-width half maximum，FWHM)414。应当理解，可以以其它方式测量激光脉冲宽度(例如，10％＝上升沿，90％＝下降沿等)。此外，电压波形410可以表现出减少或消除的振铃振荡。这样，激光二极管230可以具有更长的操作寿命，可以减少不想要的激光光发射，并且与没有第二FET 260的情景相比，可以增加最大可能的激光重复率。
附图中所示的具体布置不应视为限制。应该理解的是，其它实施例可以包括给定附图中所示的每个元件的更多或更少。此外，可以组合或省略所示元件的一些。此外，说明性实施例可以包括未在图中示出的元件。
表示信息处理的步骤或块能够对应于能够配置为执行本文描述的方法或技术的特定逻辑功能的电路。替代地或另外地，表示信息处理的步骤或块能够对应于模块、段、或程序代码的部分(包括相关数据)。程序代码能够包括由处理器可运行的一个或多个指令，用于实施方法或技术中的特定逻辑功能或动作。程序代码和/或相关数据能够储存在任何类型的计算机可读介质上，诸如包括磁盘的储存器件、硬盘驱动器、或其它储存介质。
计算机可读介质也能够包括非暂时性计算机可读介质，诸如储存数据达短时间段的计算机可读介质，像寄存器存储器、处理器高速缓存、和随机存取存储器(random accessmemory，RAM)。计算机可读介质也能够包括储存程序代码和/或数据达更长时间段的非暂时性计算机可读介质。因此，计算机可读介质可以包括二级或持久长期储存器，例如像只读存储器(read only memory，ROM)、光盘或磁盘、光盘只读存储器(compact-disc read onlymemory，CD-ROM)。计算机可读介质也能够是任何其它易失性或非易失性储存系统。计算机可读介质能够被认为是计算机可读储存介质，例如有形储存器件。
虽然已经公开了各种示例和实施例，但是其它示例和实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。各种公开的示例和实施例是出于说明的目的而不意图限制，真实范围由所附权利要求指示。
Claims (20)
1.一种系统，包括：
光发射器件，耦合到供电电压；
第一场效应晶体管，串联地耦合在所述光发射器件和地之间；和
第二场效应晶体管，包括耦合到所述供电电压的漏极端子，并包括均耦合到地的源极端子和栅极端子，
其中，所述光发射器件被配置为基于通过所述第一场效应晶体管的电流发射激光光脉冲。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二场效应晶体管与所述光发射器件和第一场效应晶体管并联连接，并被配置为作为固定或可变电容器进行操作。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二场效应晶体管被配置为提供对与光发射器件相关联的寄生电感补偿的电容。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括：
控制器，被配置为向所述第一场效应晶体管的栅极端子提供触发脉冲信号，其中所述光发射器件基于触发脉冲信号发射激光脉冲序列。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二场效应晶体管被配置为减少跨越光发射器件的电压的振荡。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二场效应晶体管被配置为减少所述第一场效应晶体管的漏极端子与源极端子之间的负电压。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一场效应晶体管还包括：
耦合到所述光发射器件的漏极端子；
耦合到地的源极端子；和
栅极端子，被配置为从控制器接收触发脉冲的脉冲序列。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，第一场效应晶体管或第二场效应晶体管中的至少一个包括氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、或其组合。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，第一场效应晶体管或第二场效应晶体管中的至少一个包括高电子迁移率晶体管(HEMT)。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括与光发射器件并联连接的返回二极管。
11.一种电路，包括：
串联地耦合在供电电压和地之间的光发射器件和第一场效应晶体管；
第二场效应晶体管，与光发射器件和第一场效应晶体管并联耦合；和
控制器，被配置为向所述第一场效应晶体管的栅极端子提供触发脉冲，
其中，所述光发射器件被配置为基于触发脉冲发射具有脉冲宽度的激光光脉冲。
12.根据权利要求11所述的电路，其中，所述第二场效应晶体管被配置为提供对与光发射器件相关联的寄生电感补偿的电容。
13.根据权利要求11所述的电路，其中，所述控制器还被配置为向所述第一场效应晶体管的栅极端子提供触发脉冲的脉冲序列。
14.根据权利要求13所述的电路，其中，所述光发射器件被配置为基于触发脉冲的脉冲序列发射激光脉冲序列。
15.根据权利要求11所述的电路，其中，所述第二场效应晶体管被配置为作为固定或可变电容器进行操作。
16.根据权利要求11所述的电路，其中，所述第二场效应晶体管被配置为减少跨越光发射器件的电压的振荡。
17.根据权利要求11所述的电路，其中，所述第二场效应晶体管被配置为减少所述第一场效应晶体管的漏极端子与源极端子之间的负电压。
18.根据权利要求11所述的电路，其中，所述第一场效应晶体管包括：
耦合到所述光发射器件的漏极端子；和
耦合到地的源极端子。
19.根据权利要求11所述的电路，其中，第一场效应晶体管或第二场效应晶体管中的至少一个包括氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、或其组合。
20.一种方法，包括：
用与光发射器件串联耦合的第一场效应晶体管来控制所述光发射器件；和
提供与同光发射器件和第一场效应晶体管并联耦合的第二场效应晶体管相关联的电容，其中所述电容与电流相关联以对与光发射器件相关联的寄生电感进行补偿。
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