ITMI950765A1 - Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore a potenza elevata che utilizza un dispositivo a semiconduttore monolitico - Google Patents
Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore a potenza elevata che utilizza un dispositivo a semiconduttore monolitico Download PDFInfo
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Abstract
Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore che utilizza un dispositivo a semiconduttore monolitico comprendente (integrati in un singolo substrato) un condensatore d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore p+-n-i-p-n+, strutturato come un tiristore ed attivato otticamente, e che è atto a conseguire affidabilità, efficienza e frequenza di ripetizione degli impulsi elevati.
Description
Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore a potenza elevata che utilizza un dispositivo a semiconduttore monolitico con un commutatore strutturato come un tiristore."
Campo dell'invenzione
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore e più precisamente ad un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore che utilizza un dispositivo a semiconduttore monolitico con un commutatore strutturato come un tiristore (thyristor-like structured) .
Descrizione della tecnica anteriore
Nella Domanda di Brevetto coreana No. 94-5^97 è già stato proposto un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore impulsato, compatto, ad elevata frequenza di ripetizione degli impulsi (PRF) e potenza elevata, che utilizza un dispositivo a semiconduttore monolitico. Tale dispositivo a semiconduttore monolitico, nel quale il condensatore d'accumulo dell'energia ed il commutatore a semiconduttore attivato otticamente sono integrati in un singolo substrato semiconduttore a resistenza elevata, è utilizzato per minimizzare gli effetti dell'induttanza e della capacità parassita. Il risultato è un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore a potenza elevata, impulsato, che presenta tempi di attivazione (turn-on) e di disattivazione (turn-off) brevi ed elevata frequenza di ripetizione degli impulsi.
In una condizione operativa ideale, la durata dell'impulso laser d'uscita è determinata dal tempo di transito dell'onda che muove nelle due direzioni nella microstriscia ad impedenza non uniforme per l'accumulo dell'energia. Inoltre la microstriscia ad impedenza non uniforme provoca un guadagno di corrente. Perciò, l'uso della struttura a microstriscia ad impedenza non uniforme come condensatore d'accumulo dell'energia e dei commutatori a semiconduttore attivati otticamente come commutatore costituisce un mezzo molto efficace per generare impulsi laser con elevata frequenza di ripetizione degli impulsi, elevata potenza di picco e durata brevissima.
Tuttavia, il funzionamento di tale dispositivo dipende da un commutatore a semiconduttore attivato otticamente, in cui si richiede dell'energia ottica di attivazione per attivare il commutatore. In generale, quando aumenta la caratteristica (capability) di potenza del commutatore attivato otticamente tradizionale, il livello dell'energia ottica d'attivazione richiesta cresce rapidamente. Ne deriva che la caratteristica e 1« prestazione del dispositivo di controllo del laser d'attivazione, che dipende dal dispositivo attivato otticamente, si degradano rapidamente.
Sommario dell1invenzione
Costituisce perciò uno scopo dell'invenzione fornire un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore impulsato a potenza elevata che utilizza un dispositivo a semiconduttore monolitico con un commutatore strutturato come un tiristore, atto a conseguire affidabilità, efficienza e frequenza di ripetizione degli impulsi elevate.
Secondo la presente invenzione, tale scopo può essere raggiunto mediante un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore che comprende un condensatore d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore attivato otticamente integrati in un singolo substrato, dove il commutatore a semiconduttore attivato otticamente ha una struttura simile ad un tiristore (thyristorlike).
Breve descrizione delle figure
Altri scopi ed aspetti dell'invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione di forme preferite di realizzazione con riferimento alle figure allegate, dove:
- la figura 1 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore secondo la presente invenzione;
- le figure 2a) e 2b) mostrano un dispositivo a semiconduttore monolitico attivato otticamente, che comprende un mezzo d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore verticale attivato otticamente secondo la presente invenzione, dove
la figura 2a) mostra una vista dall'alto del dispositivo a semiconduttore monolitico, e
la figura 2b) mostra una sezione trasversale fatta secondo la linea A-A di figura 2a);
- le figure 2c) e 2d) mostrano un altro dispositivo a semiconduttore monolitico attivato otticamente, che comprende un mezzo d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore laterale attivato otticamente secondo la presente invenzione, dove
la figura 2c) mostra una vista dall'alto del dispositivo a semiconduttore monolitico, e
la figura 2d) mostra una sezione trasversale fatta secondo la linea A-A di figura 2c);
- le figure da 3a) a 3c) mostrano il commutatore a semiconduttore del dispositivo a semiconduttore monolitico attivato otticamente secondo la presente invenzione, dove
la figura 3a) mostra una vista dall'alto del commutatore a semiconduttore avente una struttura p+-n-i-p-n+,
la figura 3b) mostra un diagramma a banda d'energia (energyband diagram) del commutatore a semiconduttore in condizione di equilibrio, e
la figura 3c) mostra un diagramma a banda d'energia del commutatore a semiconduttore polarizzato direttamente; e
- le figure da 4a) a 4c) mostrano forme d'onda che illustrano rispettivamente le sequenze grafiche del flusso d'energia del dispositivo di controllo per laser a semiconduttore secondo la presente invenzione.
Descrizione dettagliata delle forme di realizzazione preferite. La figura 1 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore impulsato a potenza elevata realizzato secondo la presente invenzione. Come illustrato in figura 1, il dispositivo di controllo per laser a semiconduttore impulsato comprende un'unità di controllo 100, un'unità 200 per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi, un'unità 300 comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo, un'unità a semiconduttore monolitica attivata otticamente 400 ed un sistema laser a potenza elevata 500.
L'unità di controllo 100 controlla un segnale introdotto da uno stadio d'ingresso ed invia il segnale controllato all'unità 200 per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi. L'unità di controllo 100 invia inoltre un segnale all'unità 300 comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo.
L'unità 200 per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi regola l'energia elettrica primaria prelevata dalla rete di alimentazione in corrente alternata oppure da batteria mediante il segnale inviato dall'unità di controllo 100 ed invia poi parte dell'energia all'unità 300 comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo . L ' unità 2CG per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi invia inoltre parte dell ' energia all'unità a semiconduttore monolitica attivata otticamente 400.
L'unità 300. comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo , serve ad attivare l ' energia elettrica primaria ricevuta dal 'unità 200 per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi ed emette perciò luce laser ottica di bassa o media potenza per l 'unità a semiconduttore monolitica 400. L ' unità a semiconduttore monolitica 400 comprende un mezzo d' accumulo dell'energia per accumularvi energia elettrica ed un commutatore a semiconduttore attivato otticamente per convertire l' energia elettrostatica caricata capaci tivamente nell ' impulso di corrente elevata quando è attivato dalla luce laser ricevuta dall 'unità 300 comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo . Il mezzo d ’ accumulo dell ' energia ed il commutatore a semiconduttore sono integrati in un singolo substrato semiconduttore . Il commutatore a semiconduttore attivato otticamente è costituito da un commutatore p+-n-i-p-n+ strutturato come un tiristore . Questo commutatore serve a convertire l’ energia elettrostatica caricata capacitivamente nell ' impulso di corrente elevata quando viene fatto commutare dalla luce laser ricevuta dall ' unità 300 comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo .
Il sistema laser a potenza elevata 500 emette l ' impulso di corrente elevata convertito nell ' unità a semiconduttore monolitica attivata otticamente 400 in un impulso ottico a potenza elevata.
Mediante un segnale emesso dall 'unità di controllo 100, l 'energia elettrica primaria, prelevata dalla rete di alimentazione in corrente alternata oppure da batteria, viene regolata e poi usata per caricare capacitivamente il mezzo d ' accumulo dell ' energia , ad esempio un condensatore , del dispositivo a semiconduttore monolitico 400. Quando la luce ottica proveniente dall' unità 300 (comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo ) è introdotta nel commutatore attivato otticamente, l ' energia elettrostatica caricata capacitivamente si trasforma nell ' impulso di corrente elevata da inviare al sistema laser a potenza elevata 500. Di conseguenza, il sistema laser a potenza elevata 500 emette l ' impulso ottico a potenza elevata. Secondo la presente invenzione, il dispositivo di controllo per laser a semiconduttore impulsato utilizza dispositivi a semiconduttore monolitici illustrati nelle figure 2a) e 2b) , rispettivamente nelle figure 2c) e 2d) , dove le funzioni del condensatore d' accumulo dell ' energia ed il commutatore attivato otticamente sono combinati in un singolo substrato semiconduttore .
Ognuno dei dispositivi a semiconduttore monolitici comprende un ' impedenza di adattamento separata che è poi collegata al sistema laser a potenza elevata 500.
Il dispositivo monolitico attivato o liticamente comprende un mezzo d ' accumulo dell ' energia ed un commutatore a semiconduttore verticale avente una struttura a microstriscia non uniforme a forma di ventaglio mostrata nelle figure 2a) e 2b) oppure una struttura a microstriscia non uniforme a forma di s triscia concentrica mostrata nelle figure 2c) e 2d . In particolare, la struttura del commutatore verticale consente di estendere la geometria di un dispositivo monolitico che incorpora una struttura del commutatore verticale in una forma circolare f inita.
Il condensatore d ' accumulo dell ' energia è fabbricato metallizzando elettrodi 2 su entrambi i lati del substrato semiconduttore 1. Il condensatore d' accumulo dell 'energia ha una struttura n-i-p . La capacità del condensatore monolitico d' accumulo dell’energia e l ' energia elettrostatica accumulata in detto condensatore sono espresse dalle seguenti equazioni :
dove €Q è la permettività del materiale , er è la cos tante dielettrica del materiale dielettrico, A è l ' area dell ' elettrodo, d è lo spessore del disposi tivo e V è la tensione di polarizzazione impulsiva. La durata attesa dell' impulso laser uscente da questo dispositivo monolitico può essere espressa dalla seguente equazione :
[secondi ]
dove t è il tempo di transito dell'onda che muove nelle due direzioni nel mezzo d'accumulo dell'energia e L è la lunghezza dell'elettrodo tra il bordo interno e quello esterno del mezzo d'accumulo dell'energia.
La figura 3a) mostra il commutatore a semiconduttore simile ad un tiristore del dispositivo a semiconduttore monolitico secondo la presente invenzione. Il commutatore a semiconduttore ha una struttura p+-n-i-p-n+. Il diagramma a banda d'energia del commutatore a semiconduttore simile ad un tiristore in condizione di equilibrio è indicato in figura 3b). D'altro lato, la figura 3c ) mostra il diagramma a banda d'energia del commutatore a semiconduttore simile ad un tiristore nella condizione operativa normale di polarizzazione diretta.
Come mostrato in figura 3c). nella condizione operativa normale di polarizzazione diretta le giunzioni J1 {creata dagli strati fortemente drogati pl+ e ni) e ZZ {creata dagli strati fortemente drogati p2 e n2+) diventano giunzioni ρ-n polarizzate direttamente. Di conseguenza, la maggior parte della tensione di polarizzazione si localizza ai capi del diodo centrale n-i-p. Perciò, durante il periodo della polarizzazione impulsiva, la regione nl-i-p2 (il diodo n-i-p) si comporta come un diodo di bloccaggio.
Quando l'impulso di luce di attivazione viene introdotto in tale commutatore avente una struttura p+-n-i-p-n+ simile ad un tiristore, nel diodo di bloccaggio interno n-i-p vengono generate coppie elettrone-lacuna. Tali coppie elettrone-lacuna generate da fotoni saranno separate dal campo elettrico, dando origine ad una corrente fotoelettrica (photocurrent). La corrente fotoelettrica fa aumentare istantaneamente la conducibilità della regione i, cosicché la tensione ai capi dello strato i viene ridotta drasticamente e trasferita alle giunzioni pl+-nl e p2-n2+. L'iniezione di portatori dalle giunzioni pl+-nl e p2-n2+ aiuta l'attivazione del commutatore.
L'azione del dispositivo di controllo inizia fornendo l'istruzione operativa all'unità di controllo 100 che avvia una sequenza di azioni. Per prima cosa viene attivata l'unità 200 per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi. La potenza primaria prelevata dalla rete di alimentazione in corrente alternata oppure da batteria viene regolata ed usata per caricare ad impulsi il condensatore che costituisce il mezzo d'accumulo dell'energia, cioè il condensatore d’accumulo dell'energia, dell'unità a semiconduttore monolitica attivata otticamente 400.
Quando la tensione di polarizzazione ad impulsi ha raggiunto la tensione di picco, il circuito di controllo per il laser a semiconduttore di attivazione dell'unità 300 (comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo) genera un impulso ottico di attivazione con tempo di salita veloce a frequenza di ripetizione degli impulsi molto elevata. L'impulso ottico di attivazione generato viene introdotto nel commutatore p+-n-i-p-n+ simile ad un tiristore dell'unità a semiconduttore monolitica 400. Quando una luce ottica d'attivazione (avente lunghezza d'onda appropriata e potenza ottica adeguata) è penetrata nell'area attiva del commutatore p_-n-i-p-n+ simile ad un tiristore dell'unità a semiconduttore monolitica 400, produce un sufficiente numero di coppie elettrone-lacuna generate da fotone, avvia la commutazione del commutatore ed ha come risultato uno stato del commutatore completamente chiuso (conduttore).
Quando il commutatore si attiva, la condizione al contorno dell'elettrodo interno del dispositivo monolitico polarizzato ad impulsi viene modificata da impedenza elevata (stato aperto) a conducibilità elevata (stato chiuso). Quando la condizione al contorno dell'elettrodo interno diventa a conducibilità elevata, l'energia elettrostatica accumulata nell'unità a semiconduttore monolitica 400 diventa un'onda progressiva, inizia a fluire attraverso il commutatore e perviene al sistema laser a potenza elevata 500 sotto forma di un impulso di corrente elevata. Di conseguenza, il sistema laser a potenza elevata 500 emette impulsi laser aventi durata
.
La successione di eventi del flusso di energia è mostrata nelle figure da 4a) a 4c).
Come risulta dalla precedente descrizione, la presente invenzione fornisce un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore a potenza elevata che utilizza un dispositivo a semiconduttore monolitico attivato otticamente con una struttura del commutatore p+-n-i-p-n+. Secondo la presente invenzione, il dispositivo a semiconduttore monolitico è costituito da un mezzo d'accumulo dell'energia per accumularvi energia elettrica e da un commutatore a semiconduttore attivato otticamente per convertire l'energia elettrostatica accumulata capacitivamente nell'impulso di corrente elevata quanto viene attivato dalla luce laser. Con tale struttura, il dispositivo a semiconduttore monolitico attivato otticamente può generare impulsi di corrente di ampiezza elevata.
Il dispositivo monolitico fornisce un meccanismo di guadagno e di minimizzazione di effetti circuitali sfavorevoli come induttanza e capacità parassita. Inoltre, l'attivazione del commutatore con un impulso ottico di attivazione emesso da un laser a bassa (o media) potenza ottiene tempi di salita e di discesa estremamente brevi. Di conseguenza, il dispositivo di controllo proposto è atto a generare impulsi laser d'uscita a potenza elevata con cempi di salita a di discesa veloci e frequenza di ripetizione degli impulsi elevata.
Benché le forme di realizzazione preferite dell'invenzione siano state descritte a puro titolo d'esempio, un tecnico del ramo può rilevare che sono possibili varie modifiche, aggiunte e sostituzioni senza uscire dallo scopo e dallo spirito del trovato , quali risultano dalle rivendicazioni allegate.
Claims (2)
- RIVENDICAZIONI 1 . Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore comprendente un condensatore d ' accumulo dell ' energia ed un commutatore a semiconduttore attivato otticamente integrati in un singolo substrato, dove il commutatore a semiconduttore attivato otticamente ha una struttura simile ad un tiristore.
- 2. Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore come alla rivendicazione 1 , dove la struttura simile ad un tiristore è una struttura p+-n-i-p-n+ .
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| 0001 | Granted |