Оптимизация схемы формирователя наносекундных импульсов напряжения на карбидо-кремниевом дрейфовом диоде

1. А.А. Смирнов

Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМЫ ФОРМИРОВАТЕЛЯ НАНОСЕКУНДНЫХ
ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА КАРБИДО-КРЕМНИЕВОМ ДРЕЙФОВОМ
ДИОДЕ С РЕЗКИМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ
А.А. Смирнов
Представлены результаты компьютерного моделирования процесса переключения дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) на
основе 4H-SiC в структуре генератора сверхкоротких высоковольтных импульсов напряжения. Показана принципиальная возможность увеличения
переключаемого напряжения и уменьшения длительности импульса на полуширине путем параллельного включения нескольких каскадов ДДРВ.
Цель работы:
Создание SPICE-модели 4H-SiC дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и исследование процесса переключения
параллельно включенных ДДРВ в структуре генератора сверхкоротких импульсов посредством компьютерного моделирования.
Введение
Дрейфовые диоды с резким восстановлением (ДДРВ) используются как полупроводниковые ключи размыкающего типа,
позволяющие формировать нано- и субнаносекундные импульсы напряжения. Для улучшения коммутационных характеристик
ДДРВ (скорости срабатывания, величины переключаемого напряжения, частоты следования выходных импульсов) целесообразно
использовать новые полупроводниковые материалы, например, карбид кремния политипа 4H.
Повышение амплитуды и скорости нарастания dU/dt, формируемых на нагрузке импульсов возможно, во-первых, соединением
ДДРВ последовательно в высоковольтную сборку, а во-вторых, используя последовательную компрессию импульсов напряжения
несколькими каскадами ДДРВ, включенными параллельно.
Разработка SPICE-модели 4H-SiC-ДДРВ
Структура 4H-SiC-ДДРВ: сильнолегированная n+ -подложка (1), базовая pобласть - (градиентно-легированный p--слой) (2), слаболегированный рслой (3), сильнолегированный p+-слой (4), омические контакты (5) и (6)
Была создана SPICE-модель карбидо-кремниевого дрейфового диода с резким восстановлением, параметры которой
частично были взяты из работы [1], другие подбирались в процессе моделирования согласно полученным ранее
экспериментальным данным [2]. Параметры моделируемой схемы генератора импульсов напряжения следующие –
величина импульсов напряжения, формируемых на пятидесятиомной нагрузке (UR = 3 кВ), длительность на полуширине
(tи = 1,5 нс) и частота следования импульсов (fи = 1000) кГц.
Результаты моделирования
Из рисунка видно, что происходит
последовательная
компрессия
энергии,
получаемой от источника питания – импульс
напряжения, формируемый MOSFET-ключом
сжимается по длительности первым каскадом
ДДРВ с 25 нс до 5 нс, при этом амплитуда
возрастает с 500 В до 1500В. Второй каскад
ДДРВ за счет меньшей резонансной частоты
по сравнению с первым каскадом сжимает
импульс напряжения до 1 нс и увеличивает
амплитуду до 3000 В.
Импульсы напряжения на первом и
втором 4H-SiC-ДДРВ.
Выводы
Моделирование схемы генератора импульсов напряжения на основе созданной SPICE-модели ДДРВ-ключей в среде MicroCap
показало принципиальную возможность использования нескольких каскадов с 4H-SiC-диодами для последовательного сжатия
энергии формируемых импульсов и, как следствие, увеличения скорости нарастания коммутируемого напряжения и увеличения
амплитуды генерируемых импульсов.
Литература
1. Афанасьев А.В., Иванов Б.В., Ильин В.А., Кардо-Сысоев А.Ф., Лучинин В.В., Смирнов А.А. Анализ эффективности 4H-SiC дрейфового диода с резким
восстановлением в схеме генератора сверхкоротких импульсов // II Всероссийская научно-техническая конференция “Электроника и микроэлектроника СВЧ”:
Сборник трудов. - Санкт-Петербург, 2013.
2. Афанасьев А.В., Демин Ю.А., Иванов Б.В., Ильин В.А., Кардо-Сысоев А.Ф., Лучинин В.В., Смирнов А.А. Высоковольтный миниатюрный
карбидокремниевый источник наносекундных импульсов для генерации рентгеновского и микроволнового излучений // Нано- и микросистемная техника. –
2013. – №2. – С.30 - 32.