Разработка и исследование генераторов мощных наносекундных импульсов на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением и динисторов с глубокими уровнями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, кандидат наук Коротков, Дмитрий Александрович

• Коротков, Дмитрий Александрович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Коротков, Дмитрий Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Генераторы на основе емкостного накопителя энергии

1.2. Генераторы на основе индуктивного накопителя энергии

1.3. Выводы

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРОВ МОЩНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ДРЕЙФОВЫХ ДИОДОВ С РЕЗКИМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ (ДДРВ)

2.1. Постановка задачи

2.2. Оптимизация базовой схемы ДДРВ-генератора, разработка и исследование высоковольтных сборок последовательно соединенных ДДРВ с большим диаметром структур

2.3. Разработка генераторов мощных наносекундных импульсов на основе ДДРВ

2.3.а. ДДРВ - генератор импульсов накачки азотного лазера

2.3.6. ДДРВ-генератор импульсов питания установки электроразрядной

очистки воздуха

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРОВ МОЩНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ДИНИСТОРОВ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ

(ДГУ)

3.1. Постановка задачи

3.2. Оптимизация базовой схемы генератора на основе ДГУ, исследование процесса переключения динисторов с большой рабочей площадью

3.3. Оптимизация конструкции ДГУ и исследование коммутационных возможностей оптимизированных ДГУ

3.4. Разработка принципов построения высоковольтных коммутаторов на основе блоков последовательно соединенных ДГУ с большой рабочей

площадью

3.5. Разработка высоковольтных генераторов на основе ДГУ

3.5.а. ДГУ-генератор импульсов накачки мощного азотного лазера

3.5.6. ДГУ-генератор импульсов управления гигаваттного коммутатора

на основе реверсивно включаемых динисторов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование генераторов мощных наносекундных импульсов на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением и динисторов с глубокими уровнями»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время генераторы мощных наносекундных импульсов требуются для исследования электрофизических процессов, получения материалов с новыми, заранее заданными свойствами, для питания импульсных лазеров, ускорителей, устройств очистки воды и воздуха.

Для создания мощных наносекундных импульсов обычно используются два подхода: накопление энергии в емкостных накопителях (конденсаторах, формирующих линиях) с последующей коммутацией в нагрузку замыкающим ключом и накопление энергии в магнитном поле индуктивного контура с током с коммутацией прерывателем тока.

Традиционно наносекундная коммутация больших электрических мощностей осуществлялась с помощью разрядников разнообразной конструкции, магнитных ключей, плазменных прерывателей тока, взрывающихся проволочек и т.д. Однако для развития промышленных импульсных технологий такая элементная база неэффективна из-за малого срока службы, нестабильности срабатывания и низких частотных характеристик.

Этих недостатков лишены полупроводниковые приборы, являющиеся наиболее перспективными переключателями в современной импульсной технике.

В этой связи разработка мощных генераторов на основе полупроводниковых приборов с наносекундным быстродействием является важной и актуальной.

Целью настоящей работы является разработка и исследование высоковольтных генераторов наносекундных импульсов с мегаваттной импульсной мощностью на основе новых двухэлектродных полупроводниковых приборов - дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и динисторов с глубокими уровнями (ДГУ), разработанных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе соответственно для коммутации цепей с индуктивными и емкостными накопителями энергии.

Диссертация содержит введение, три главы, заключение и список использованной литературы.

В первой главе рассмотрены традиционные способы построения генераторов высоковольтных импульсов наносекундной длительности. Особое внимание уделено коммутаторам наносекундных импульсов, являющихся наиболее проблемными элементами электрических схем генераторов. Обоснован выбор полупроводниковых коммутаторов (дрейфовых диодов с резким восстановлением и динисторов с глубокими уровнями), как обладающих наибольшими перспективами в наносекундной импульсной технике.

Во второй главе описана оптимизированная схема мощного генератора наносекундных импульсов на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ), позволяющая повысить надежность работы на высокой частоте. Проведен анализ элементной базы, необходимой для построения мощных ДДРВ-генераторов. Приведены результаты комплексных исследований высоковольтных сборок последовательно соединенных ДДРВ с большим диаметром структур. Показаны конструкции разработанных широкополосных измерителей тока и напряжения. Приведены результаты расчета переходных процессов в схеме ДДРВ-генератора и результаты расчета тепловыделения в ДДРВ-сборках. Описана конструкция и способ построения мощных коммутаторов на основе параллельно-последовательно соединенных ДДРВ-сборок. Приведены электрические схемы и конструкции ДДРВ-генераторов мегаваттных наносекундных импульсов, разработанных для очистки воздуха от промышленных загрязнителей и для накачки активной среды газового лазера. Показаны результаты их испытаний.

В третьей главе приведены результаты комплексного исследования динисторов с глубокими уровнями (ДГУ) в режимах коммутации мощных импульсов тока с наносекундным фронтом нарастания. Описана оптимизированная схема высоковольтного ДГУ-генератора, позволяющая повысить КПД процесса коммутации. Представлены разработанные способы

переключения высоковольтных блоков последовательно соединенных ДГУ, обеспечивающие малые коммутационные потери энергии в динисторах и высокую эффективность цепей управления. Описана оптимизированная конструкция ДГУ, позволяющая повысить надежность их работы в частотном режиме. Показаны результаты расчета переходных процессов в схемах ДГУ-генераторов и результаты расчета тепловых процессов в системе «ДГУ-охладитель». Приведены результаты исследования разработанных высоковольтных блоков ДГУ в режимах коммутации килоамперных импульсов тока наносекундной длительности. Показаны электрические схемы и конструкции разработанных наносекундных ДГУ-генераторов с импульсной мощностью в десятки мегаватт и результаты их испытаний при накачке азотного лазера и при переключении гигаваттного коммутатора на основе реверсивно включаемых динисторов.

В заключении сформулированы основные результаты проделанной работы.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Проведенные исследования обеспечивают возможность создания полупроводниковых коммутаторов на основе последовательно соединенных дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и динисторов с глубокими уровнями (ДГУ) с рабочим напряжением более 20 кВ, способных коммутировать килоамперные импульсы тока, нарастающие со скоростью более 100 А/нс, недоступной для традиционных транзисторов и тиристоров.

2. Разработанные ДДРВ-генераторы способны за единицы наносекунд на частоте несколько килогерц коммутировать импульсные мощности в несколько мегаватт и могут эффективно использоваться для очистки воздуха от промышленных загрязнителей и для накачки лазеров.

3. Разработанные ДГУ-генераторы способны в наносекундном диапазоне коммутировать импульсные мощности в десятки и сотни мегаватт и могут эффективно использоваться для накачки лазеров и для переключения гигаваттных коммутаторов на основе реверсивно включаемых динисторов.

Научной новизной обладают:

- оптимизированная конструкция ДГУ, позволяющая стабилизировать поверхностные токи утечки;

- результаты экспериментального исследования ДГУ, свидетельствующие об их однородном переключении и снижении коммутационных потерь энергии при нагреве;

- разработанные принципы построения высоковольтных ДДРВ- и ДГУ-коммутаторов, обладающих уникальными коммутационными возможностями;

- электрические схемы и конструкции разработанных генераторов на основе ДДРВ и ДГУ, обеспечивающие высокую эффективность процесса коммутации мощных наносекундных импульсов.

Практическая значимость работы заключается в разработке высокоэффективных генераторов мегаваттных электрических импульсов наносекундной длительности на основе новых отечественных полупроводниковых приборов, характеристики которых соответствуют, а в ряде случаев превышают мировой уровень.

Так, разработанные генераторы на основе высоковольтных сборок ДДРВ позволили осуществить эффективную очистку воздуха от промышленных загрязнений и более чем в 2 раза повысить мощность выходного излучения азотного лазера MNL330 фирмы «Laser Technik Berlin».

Разработанные генераторы на основе высоковольтных блоков последовательно соединенных ДГУ показали высокую надежность и эффективность при использовании в мощном лазерном устройстве фирмы «Laser Technik Berlin», а также в лазерной установке мегаджоульного класса, разрабатываемой в РФЯЦ ВНИИЭФ (г. Саров).

Личный вклад автора состоит в том, что все основные результаты диссертационной работы получены лично им или при его непосредственном участии.

Лично автором были разработаны и изготовлены стенды для исследования мощных коммутаторов на основе ДДРВ и ДГУ, проведено их экспериментальное исследование, написана программа-алгоритм для обработки экспериментальных данных, проведено моделирование электромагнитных и тепловых процессов. При непосредственном активном участии автора была оптимизирована конструкция ДГУ и электрические схемы базовых ДДРВ- и ДГУ-генераторов, разработаны и изготовлены опытные образцы генераторов мощных наносекундных импульсов и проведено их экспериментальное исследование.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих всероссийских и международных конференциях: 8-я научно-техническая конференция молодых специалистов «ПУЛЬСАР-2009» (21-23 октября, 2009, Дубна, Россия), 4nd Euro- Asian Pulsed Power Conference (September 30—October 4, 2012, Karlsruhe, Germany).

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ в рецензируемых научных изданиях и журналах, список публикаций приведен в разделе Заключение.

Диссертация содержит 118 страниц машинописного текста, 4 таблицы, 69 рисунков, список использованной литературы из 75 наименований.

ГЛАВА 1.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

Известны два базовых принципа генерации мощных наносекундных импульсов, отличающиеся способами накопления и коммутации энергии. При накоплении энергии в емкостном накопителе коммутация тока в нагрузку осуществляется с помощью замыкающего коммутатора, при накоплении энергии в индуктивном накопителе - с помощью прерывателя тока.

1.1. Генераторы на основе емкостного накопителя энергии

На рис. 1.1. приведена базовая схема генератора с емкостным накопителем энергии С.

Рис. 1.1. Схема генератора с емкостным накопителем энергии.

В исходном состоянии конденсатор С заряжен от источника напряжения Е до напряжения и. Это напряжение блокирует коммутатор К, имеющий очень низкую исходную проводимость.

При переключении коммутатора К в состояние с высокой проводимостью в нагрузку Ян коммутируется ток разряда накопителя С, При этом на нагрузке формируется импульс напряжения. Его амплитуда определяется произведением

коммутируемого тока на сопротивление нагрузки, длительность фронта нарастания - временем переключения коммутатора К.

При разработке генераторов мощных наносекундных импульсов на основе емкостных накопителей энергии основной проблемой является создание коммутаторов мощных импульсов тока. Они должны иметь наносекундное время переключения в состояние с высокой проводимостью и быть способными блокировать высокое напряжение зарядки емкостного накопителя.

Традиционно в качестве коммутаторов К используются искровые разрядники [1-6].

Они имеют простую конструкцию, позволяющую легко обеспечить высокий уровень блокируемого напряжения, и способны в наносекундном диапазоне коммутировать токи с амплитудой в десятки килоампер.

В наносекундной импульсной технике используются разрядники как низкого, так и высокого давления с различным газовым составом межэлектродной среды. К недостаткам искровых разрядников относится малый эксплуатационный ресурс. Это связано с эрозией электродов и загрязнением межэлектродного пространства. Эрозия электродов приводит со временем к увеличению числа отказов срабатывания, а загрязнение межэлектродного пространства - наоборот, к преждевременному срабатыванию при отсутствии сигналов запуска.

Помимо искровых разрядников в качестве коммутаторов емкостных накопителей применяются водородные тиратроны [2,5], игнитроны [2,6]. Их недостатки такие же, как и у искровых разрядников. Кроме того, тиратроны не обладают мгновенной готовностью к работе из-за необходимости предварительного прогрева генератора водорода. Наличие ртути в игнитронах представляет серьезную опасность для экологии, а привязка к пространственному положению делает невозможным их применение в мобильных установках.

Известные по работам [2,7-9] обостряющие магнитные переключатели в виде дросселей или трансформаторов с ферромагнитным сердечником позволяют снизить требования к коммутатору К и увеличить срок службы и надежность

схемы. При их использовании коммутатор К обеспечивает только зарядку накопительной емкости и не участвует в процессе коммутации энергии в нагрузку.

Принцип работы магнитного переключателя основан на эффекте резкого уменьшения индуктивности в момент насыщении сердечника. В качестве материала сердечника для получения импульсов наносекундной длительности чаще всего используется феррит в связи с низкими удельными потерями энергии.

На рис. 1.2. приведена базовая схема генератора с емкостным накопителем С и магнитным переключателем Ь, выполненным в виде дросселя насыщения.

Схема работает следующим образом. В исходном состоянии емкостной накопитель С разряжен, сердечник дросселя Ь переведен в рабочее состояние током Тп, протекающим через обмотку перемагничивания.

При включении коммутатора К происходит зарядка емкостного накопителя С от источника напряжения Е. Так как исходная индуктивность дросселя Ь велика, то в процессе зарядки скорость нарастания тока через нагрузку пренебрежимо мала. В процессе нарастания напряжения на конденсаторе С сердечник дросселя Ь намагничивается протекающим током.

Рис. 1.2. Схема генератора с магнитным ключом.

При насыщении сердечника индуктивность дросселя резко уменьшается и осуществляется быстрая коммутация энергии емкостного накопителя С в нагрузку R„.

При соответствующем выборе параметров сердечника дросселя время коммутации может быть в несколько раз меньше времени зарядки емкостного накопителя С, а коммутируемый ток в несколько раз больше тока, протекающего через коммутатор К.

Многозвенные схемы магнитного сжатия [2] позволяют использовать коммутаторы К с микросекундным быстродействием и формировать на нагрузке импульсы наносекундной длительности путем каскадного сжатия, обеспечивающего уменьшение длительности зарядки конденсатора каждого последующего звена.

В работах [10-13] показано, что использование магнитных переключателей позволяет сформировать высоковольтные импульсы напряжения с фронтом нарастания ~ 10 не.

Основными недостатками магнитных генераторов наносекундных импульсов являются большие габариты и большие потери энергии при быстром перемагничивании сердечников магнитных переключателей.

В настоящее время уровень развития полупроводниковой техники позволяет использовать в генераторах мощных наносекундных импульсов полупроводниковые приборы - импульсные тиристоры, а также IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) и биполярные транзисторы.

Исторически первыми управляемыми полупроводниковыми приборами были биполярные транзисторы [14-17]. Они имеют три области с чередующимися типами проводимости - эмиттер, коллектор и базу, через которую пропускается ток управления. При достаточно большом токе управления происходит открытие исходно запертого коллекторного перехода. При этом обеспечивается высокая проводимость биполярного транзистора.

Быстродействие биполярных транзисторов определяется диффузионной скоростью движения носителей заряда и толщиной базовой области. В наносекундной импульсной технике используются низковольтные транзисторы с рабочим напряжением 10-15 В. Время их включения составляет несколько десятков наносекунд.

С ростом рабочего напряжения увеличивается толщина базы транзистора, что приводит к ухудшению динамических характеристик. При величине рабочего напряжения несколько сотен вольт время включения типичного биполярного транзистора составляет сотни наносекунд.

Недостатком биполярных транзисторов является также и большой ток управления.

Полевой транзистор (МОЭРЕТ) [18-20] представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из подложки одного типа проводимости, двух областей с другим типом проводимости (сток, исток) и электрода управления (затвор). Его переключение осуществляется в результате образования инверсионного канала, соединяющего области стока и истока.

При отсутствии на затворе управляющего импульса транзистор находится в закрытом состоянии и блокирует приложенное к стоку напряжение. При подаче импульса управления на затвор у границы с окислом возникает индуцированный слой (канал), проводимость которого модулируется при изменении напряжения на затворе. Если к стоку приложено напряжение, через канал будет протекать ток, определяемый величиной приложенного напряжения и сопротивлением канала. При достижении определенной величины напряжения на стоке при фиксированном напряжении на затворе канал входит в режим отсечки — транзистор переходит в режим насыщения, при котором дальнейшее увеличение напряжения на стоке не ведет к пропорциональному увеличению тока через прибор. При снятии управляющего сигнала канал проводимости быстро рассасывается, транзистор выключается.

Так как входное сопротивление полевых транзисторов очень велико, то по цепи управления они потребляют существенно меньшую мощность по сравнению с биполярными транзисторами. Малая емкость затвора позволяет работать на частотах несколько десятков килогерц.

При уровне рабочего напряжения менее 100 В сопротивление МОББЕТ в открытом состоянии составляет сотые доли Ома, а время включения - менее 10 наносекунд, что обеспечивает достаточно высокий КПД в режимах коммутации наносекундных импульсов тока.

Однако при увеличении рабочего напряжения сопротивление канала проводимости МОБРЕТ-транзистора резко возрастает и при рабочем напряжении порядка 1000 В составляет единицы Ом, что ограничивает предельную величину тока стока на уровне 10 А. Это обстоятельство затрудняет использование полевых транзисторов в мощных импульсных генераторах.

С целью увеличения предельной величины коммутируемого тока при рабочих напряжениях более 1 кВ были созданы биполярные транзисторы с изолированным затвором (ГСВТ) [21-23].

В ЮВТ объединены достоинства полевых и биполярных транзисторов -высокое быстродействие, большое сопротивление по входу и достаточно малое остаточное сопротивление при большом блокируемом напряжении. Конструктивно они представляют собой интегральную схему, в которой током базы мощного биполярного транзистора управляет полевой транзистор. В одном корпусе может находиться несколько десятков тысяч элементарных ячеек ЮВТ.

Процесс включения ЮВТ можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется п - канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области п в область р приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного.

Время выключения ЮВТ несколько больше, чем у полевых транзисторов. Это связано с необходимостью рассасывания заряда неосновных носителей, накопленного в базе биполярного транзистора.

Современные ЮВТ с наносекундным быстродействием имеют рабочее напряжение не более 1600 В и способны коммутировать токи с амплитудой не более нескольких сотен ампер за время несколько сотен наносекунд.

Тиристоры [24-27] обладают рядом преимуществ по сравнению с транзисторами: меньшее падение напряжения в открытом состоянии и более высокая перегрузочная способность.

Силовой тиристор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором созданы четыре чередующиеся области с различным типом проводимости, имеет 3 электрода - катод, анод и электрод управления, соединенный с р-базой.

В закрытом состоянии тиристор способен блокировать приложенное к нему напряжение, поскольку центральный р-п - переход смещен в обратном направлении. Когда на управляющий электрод подается напряжение, то в р-п-р-п - структуре начинает протекать ток управления. В результате начинает увеличиваться ток через катодный эмиттер, что приводит к росту коэффициентов усиления по току ар.п.р и ап.р.п. При увеличении тока управления сумма ар_п_р и ап_р.п становится равной единице. При этом центральный р-п — переход смещается в прямом направлении и тиристор переходит в проводящее состояние. Во включенном состоянии необходимость поддерживать напряжение на электроде управления пропадает благодаря механизму положительной обратной связи. Выключение тиристора происходит во время безтоковой паузы.

Время включения мощных силовых тиристоров составляет доли микросекунды. Их фундаментальным недостатком является локализация процесса включения в узкой области у электрода управления. Локальное тепловыделение в области первоначального включения ограничивает скорость нарастания силового тока на уровне несколько ампер в наносекунду.

Меньшим временем переключения в хорошо проводящее состояние обладают тиристоры с полевым управлением - МСТ (MOS-Controlled Thyristor) [28].

Конструктивно МСТ представляет собой составной прибор, который является комбинацией быстродействующего управляющего полевого транзистора и тиристора. Объединение этих структур на одной подложке позволяет получить большее быстродействие по сравнению с традиционным тиристором и меньшую мощность сигнала управления. Промышленно выпускаются МСТ с рабочим напряжением до 2 кВ, способные в моноимпульсном режиме коммутировать ток амплитудой более одного килоампера за время несколько десятков наносекунд.

Основным фактором, сдерживающим широкое использование МСТ в генераторах мощных наносекундных импульсов, является очень сложная конструкция. Современная технология не позволяет изготовить структуры с площадью более 1 см". При этом амплитуда коммутируемого тока на частотах в несколько килогерц составляет менее 100 А.

Более перспективными переключающими приборами являются разработанные в ФТИ им. А.Ф. Иоффе реверсивно-включаемые динисторы (РВД) [29-32].

В отличие от тиристоров у них нет электрода управления. Включение РВД производится путем реверса блокируемого напряжения и пропускания в обратном направлении короткого (~1 мкс) быстро нарастающего тока управления, протекающего через плотную систему встроенных каналов обратной проводимости. В результате у центрального р-п - перехода равномерно по площади накапливаются электроны и дырки.

При восстановлении исходной полярности напряжения они переносятся полем и вызывают встречную инжекцию электронов и дырок из эмиттерных областей. Это в свою очередь приводит к однородному по площади включению РВД за счет механизма положительной обратной связи.

В процессе коммутации на РВД возникает короткий пик напряжения. Его амплитуда зависит от скорости нарастания коммутируемого тока и величины заряда, накопленного при пропускании тока управления. Время спада пикового напряжения до установившегося значения определяется временем дрейфа инжектированных носителей тока через базовые области и составляет несколько сотен наносекунд.

Основными достоинствами РВД являются меньшие, чем в тиристорах, коммутационные потери энергии, обеспечиваемые высокой однородностью процесса переключения, а также потенциальная надежность при последовательном соединении, определяемая синхронным включением РВД при запуске общим импульсом тока управления.

К недостаткам РВД можно отнести высокие потери при коммутации импульсов тока с наносекундным временем нарастания, обусловленные сравнительно небольшой скоростью дрейфа носителей в процессе модуляции проводимости.

Большими коммутационными возможностями в наносекундном диапазоне обладают кремниевые динисторы с глубокими уровнями (ДГУ) [33].

ДГУ относятся к классу полупроводниковых приборов, переключаемых в результате формирования и распространения ударно-ионизационной волны в кремнии [34-35].

На рис 1.3. приведена конструкция полупроводниковой структуры ДГУ и эпюры распределения электрического поля и электронно-дырочной плазмы (темный цвет), иллюстрирующие процесс его переключения.

Принцип действия ДГУ заключается в следующем. При блокировании силового напряжения в его структуре создается свободная от носителей тока область объемного заряда \Vscr (рис. 1.3 б) с максимальной напряженностью поля у коллекторного р-п перехода. Она занимает значительную часть базовых областей. У эмиттеров формируются узкие нейтральные области, препятствующие статическому пробою.

плазмы.

Переключение ДГУ осуществляется в результате приложения импульса напряжения, нарастающего со скоростью более 1 кВ/нс. Большая скорость нарастания запускающего импульса напряжения позволяет получить очень высокую 106В/см) напряженность электрического поля у р-п перехода (рис. 1.3 в).

В этих условиях напряженность поля в области коллектора резко возрастает, однако пробой не возникает, так как поле не успевает достичь эмиттеров. При достаточно большой напряженности поля (~ 106 В/см) происходит полевая

эмиссия электронов с глубоких уровней, расположенных в запрещенной зоне кремния. Они инициируют процесс ударной ионизации.

Образующаяся электронно-дырочная плазма высокой концентрации экранирует поле, которое резко падает в плазме (рис. 1.3 г) и возрастает в соседних областях, что вызывает эмиссию электронов и распространение ударно ионизационной волны.

Одновременно ток смещения, протекающий через область объемного заряда, вызывает инжекцию электронов и дырок из п+ и р+ - эмиттерных слоев. Они движутся внутрь прибора в условиях биполярного дрейфа. Через доли наносекунды прибор переходит во включенное состояние с остаточным напряжением несколько десятков вольт, которое спадает по мере поступления плазмы со стороны инжекторов (рис. 1.3 д).

Быстрое переключение и малые потери энергии в проводящем состоянии обеспечивают уникальные коммутационные возможности ДГУ: приборы с рабочей площадью 1 см способны коммутировать наносекундные импульсы тока с амплитудой несколько килоампер, нарастающие со скоростью до 150 А/нс.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Коротков, Дмитрий Александрович, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Усов, Ю.П. Искросветный запуск разрядников в газах при различных давлениях / Ю.П. Усов // Пробой диэлектриков и полупроводников: сб. докл. IV межвузовской конференции по пробою диэлектриков и полупроводников. -М., Л.: Энергия, 1964. - С. 79-82.

2. Месяц, Г.А. Импульсная энергетика и электроника / Г.А. Месяц. - М.: Наука, 2004. - 704 с.

3. Соковкин, С.Ю. Мощная импульсная техника: Учебное электронное текстовое издание / С.Ю. Соковкин. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008. - 65 с.

4. Месяц, Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов / Г.А. Месяц. -М.: Сов. радио, 1974. - 254 с.

5. Воробьев, Г.А. Техника формирования высоковольтных наносекундных импульсов / Г.А. Воробьев, Г.А. Месяц. - М.: Госатомиздат, 1963. - 167 с.

6. Ковальчук, Б.М. Сильноточные наносекундные коммутаторы / Б.М. Ковальчук, В.В. Кремнев, Ю.Ф. Поталицын. - Новосибирск: Наука, 1979. -175 с.

7. Бакшт, Р.Б. Схема с ферритом для получения высоковольтных наносекундных импульсов / Р.Б. Бакшт, Г.А. Месяц // Приборы и техника эксперимента. -1964.-№3.-С. 108-110.

8. Ильин, О.Т. Укорочение фронтов высоковольтных импульсов при помощи нелинейной индуктивности / О.Т. Ильин, A.M. Шендерович // Приборы и техника эксперимента. - 1965. - № 1. - С. 112-117.

9. Вдовин, С.С. Проектирование импульсных трансформаторов / С.С. Вдовин. -2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. - 208 с.

Ю.Мешков, А.Н. Генератор высоковольтных наносекундных импульсов / А.Н. Мешков // Приборы и техника эксперимента. - 1965. - № 5. - С. 136-139.

11. Катаев, И.Г. Ударные электромагнитные волны / И.Г. Катаев. — М.: «Советское радио», 1963. - 152 с.

12. Магнито-тиристорный генератор импульсов с линией ударной волны / И.Г. Катаев, А.Н. Мешков, И.И. Рожков и др. // Приборы и техника эксперимента. -1972.-№5. _ с. 103-106.

13. Петров, В.А. Высоковольтный генератор наносекундных импульсов / В.А. Петров, В.А. Петров, У. Эберль // Приборы и техника эксперимента. - 1979. -№ 1. - С. 90-92.

14. Степаненко, И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1977. - 672 с.

15. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов: В 2 Т: Пер. с англ. / С. Зи. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1984. Т1. - 456 с.

16.Миддлбрук, Р. Введение в теорию транзисторов / Р. Миддлбрук. - М.: Атомиздат, 1960. - 304 с.

17.Киреев, П.С. Физика полупроводников / П.С. Киреев. - М.: «Высшая школа», 1969.-590 с.

18. Петухов, В.М. Транзисторы полевые / В.М. Петухов, В.И. Талыгин, А.К. Хрусталев. - М.: Советское радио, 1978. - 144 с.

19. Бочаров, Л.Н. Полевые транзисторы / Л.Н. Бочаров. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984. - 80 с.

20. Сукер, К. Силовая электроника: Руководство разработчика / К. Сукер. - М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2008. - 252 с.

21. Образцов, А. Биполярные транзисторы с изолированным затвором / А. Образцов, В. Смердов // Ремонт & Сервис. - 2004. - № 11.

22.Бормотов, А. Некоторые вопросы эксплуатации ГСВТ силовых модулей / А. Бормотов, В. Мартыненко, В. Мускатиньев // Компоненты и технологии. — 2005. - № 5.

23. Резников, А. Гибридный силовой транзистор ЮВТ - статистические и динамические характеристики / А. Резников, П. Воронин, Н. Щепкин // Силовая электроника. - 2006. - № 3. - С. 28.

24. Герлах, В. Тиристоры: Пер. с нем / В. Герлах. - М.: Энергоатомиздат, 1985. -328 с.

25.Машурян, Э. Современная ситуация в силовой электронике / Э. Машурян // Электронные компоненты. - 2005. - № 6.

26. Эраносян, С. Электронные компоненты для мощных импульсных источников питания / С. Эраносян, В. Ланцов // Силовая электроника. - 2006. - № 2.

27.Дзюбин, И.И. Запираемые тиристоры и их применение / И.И. Дзюбин. - М.: «Энергия», 1976.-40 с.

28. Нестеров, С.А. Тиристоры с полевым управлением / С.А. Нестеров, B.C. Тетюшкин // Электроника и информационные технологии. - 2010. - №1. - С. 5.

29.0 новой возможности быстрой коммутации больших мощностей приборами тиристорного типа / A.B. Горбатюк, И.В. Грехов, C.B. Короткое и др. // Письма в ЖТФ. - 1982. - Т.8. - № 11. - С. 685-688.

30.Коротков, C.B. Коммутационные возможности реверсивно включаемых динисторов и принципы РВД-схемотехники / C.B. Коротков // Приборы и техника эксперимента. - 2002. - № 4. - С. 5-39.

31. Высоковольтные РВД-переключатели субмегаамперных импульсов тока / И.В. Грехов, А.К. Козлов, C.B. Коротков и др. // Приборы и техника эксперимента. -2003.-№ 1.-С. 53-55.

32. Грехов, И.В. Силовая полупроводниковая электроника / И.В. Грехов // Компоненты и технологии. - 2006. - №3.

33. Мощный полупроводниковый переключатель высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом нарастания / Ю.В. Аристов, В.Б. Воронков, И.В. Грехов и др. // Приборы и техника эксперимента. - 2007. - № 1. - С. 1-4.

34. Tuchkevitch, V. / V. Tuchkevitch, I. Grekhov // Bulletin of Academy of Sciences of USSR. - 1987.-№ 4.-P. 18.

35.Power Nanosecond Opening Plasma Switches / V.l. Brylevsky, V.M. Efanov, A.F. Kardo-Sysoev et al. // Conference Record of the 1996 Twenty-Second International Power Modulator Symposium. - 1996. - P. 51-54.

36. Соболев, К.Н. Исследование электрического взрыва тонких проволочек / К.Н. Соболев // ЖЭТФ. - 1947. - Т. 17. - вып. И. - С. 986-997.

37. Котов, Ю.А. Формирование высоковольтных импульсов с помощью взрыва проводников / Ю.А. Котов, Н.Г. Колганов, B.C. Седой // Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных электронов: Сб. науч. трудов. - Новосибирск: Наука, 1974. - С. 83-96.

38. Колганов, Н.Г. Переключение LC-контура на активную нагрузку с помощью электрически взрываемых проводников / Н.Г. Колганов // Разработка и применение источников интенсивных электронных пучков: Сб. науч. трудов. -Новосибирск: Наука, 1976. - С. 69-75.

39. Ковальчук, Б.М. Генератор мощных наносекундных импульсов с вакуумной линией и плазменным прерывателем / Б.М. Ковальчук, Г.А. Месяц // Докл. АН СССР. - 1985. - Т. 284. - № 4. - С. 857-859.

40. Инжекционный тиратрон - ионный прибор с полным управлением / Б.М. Ковальчук, Ю.Д. Королев, В.В. Кремнев и др. // Радиотехника и электроника. -1976. -Т. 21.-№7. -С. 1513-1516.

41.Инжекционная газовая электроника / Ю.И. Бычков, Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц и др. - Новосибирск: Наука, 1982. - 240 с.

42. Schoenbach, К.Н. / К.Н. Schoenbach, V.K. Lakdawala, D.C. Stoudt // IEEE Trans, on Electron Devices. - 1989. - V. 36. - №9. - P. 1793.

43. Stoudt, D.C. / D.C. Stoudt, J.S. Kenney, K.H. Schoenbach // Proc. of IX IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Albuquerque. - 1993. - V.l. - P. 123.

44. Еремин, С.А. Полупроводниковые диоды с накоплением заряда / С.А. Еремин, O.K. Мокеев, Ю.Р. Носов. - М.: Сов. радио, 1966. - 142 с.

45.Грехов, И.В. Исследование переходного процесса переключения силового диода с накоплением заряда / И.В. Грехов, Е.М. Гейфман, JI.C. Костина // ЖТФ. - 1983. - Т.53. - вып. 4 - С. 726-729.

46. Субнаносекундный обрыв тока в мощных полупроводниковых SOS-диодах / С.К. Любутин, Г.А. Месяц, С.Н. Рукин и др. // Доклады Академии Наук. -1998. - том 360. - №4. - С. 477-479.

47. SOS-диоды: наносекундные прерыватели сверхплотных токов / С.А. Дарзнек, С.К. Любутин, С.Н. Рукин и др. // Электротехника. - 1999. - № 4. - С. 20 - 28.

48. Грехов, И.В. Формирование области пространственного заряда в диффузионных р-n переходах при обрыве тока высокой плотности / И.В. Грехов, A.C. Кюрегян // ЖТФ. - 2005. - том 75. - вып. 7. - С. 88 - 96.

49. Высокочастотные импульсные генераторы на основе SOS-диодов с субнаносекундным временем обрыва тока / С.К. Любутин, С.Н. Рукин, Б.Г. Словиковский и др. // Приборы и техника эксперимента. - 2000. - № 3. - С. 52 -60.

50. Работа полупроводникового прерывателя при микросекундном времени накачки и низкой плотности тока / П.В. Васильев, С.К. Любутин, A.B. Пономарев и др. // Физика и техника полупроводников. - 2009. - том 43. - №7. - С. 985-988.

51. Дарзнек, С.А. Динамика электронно-дырочной плазмы в полупроводниковых прерывателях сверхплотных токов / С.А. Дарзнек, Г.А. Месяц, С.Н. Рукин // Журнал технической физики. - 1997. - том 67 - №10. - С. 64-70.

52. Кюрегян, A.C. Теория дрейфовых диодов с резким восстановлением / A.C. Кюрегян // Журнал технической физики. - 2004. - том 74. - №6. - С. 57-64.

53.Грехов, И.В. Полупроводниковые наносекундные диоды для размыкания больших токов / И.В. Грехов, Г.А. Месяц // Успехи физических наук. - 2005. -том 175. -№7.-С. 735-744.

54. Высокочастотный полупроводниковый генератор высоковольтных импульсов / В.Б. Воронков, И.В. Грехов, А.К. Козлов и др. // Приборы и техника эксперимента. - 2007. - № 2. - С. 1-3.

55.Grekhov, I.V. Mega and gigawatts ranges, repetitive mode semiconductor closing and opening switches / I.V. Grekhov // Abstracts of 11th Pulsed Power Conf. -1997. - P. 108.

56. Грехов, И.В. Генерация мощных наносекундных импульсов с помощью полупроводниковых размыкателей тока / И.В. Грехов // Известия РАН. - серия «Энергетика». - 2000. - №1. - С. 53-62.

57. Полупроводниковые формирователи мощных киловольтовых наносекундных импульсов / В.И. Брылевский, И.В. Грехов, В.М. Ефанов и др. // Приборы и техника эксперимента. - 1988. - № 1. - С. 106-109.

58. Белкин, B.C. Формирователи мощных наносекундных и пикосекундных импульсов на полупроводниковой элементной базе / B.C. Белкин, Г.И. Шульженко // Ротапринт ИЯФ СО АН СССР. - Новосибирск, 1991. - 36 с.

59.Вассерман, С.Б. Работа пояса Роговского при измерении токов импульсных пучков наносекундной длительности / С.Б. Вассерман // Приборы и техника эксперимента. - 1972. - № 2. - С. 99-103.

60. Стефановский, A.M. Пояс Роговского для измерения токов наносекундной длительности / A.M. Стефановский // Приборы и техника эксперимента. -1967.-№2. - С. 149-152.

61. Иванов, Б.И. Импульсный измерительный трансформатор тока наносекундного диапазона / Б.И. Иванов, В.А. Мирошниченко // Приборы и техника эксперимента. - 1973. - № 5. - С. 138-140.

62. Герасимов, А.И. Пояс Роговского с субнаносекундным нарастанием для измерения тока, регулируемого в большом диапазоне / А.И. Герасимов, Е.Г. Дубинов // Приборы и техника эксперимента. - 1983. - № 3. - С. 110-113.

63.Шваб, А. Измерения на высоком напряжении: Измерительные приборы и способы измерения: Пер. с нем. / А. Шваб. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 264 с.

64. Звелто, О. Принципы лазеров: Пер. с англ. / О. Звелто. - 3 изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1990.-560 с.

65. Месяц, Г.А. Импульсные газовые лазеры / Г.А. Месяц, В.В. Осипов, В.Ф. Тарасенко. - М.: Наука, 1991. - 272 с.

66. Тарасенко, В.Ф. Эффективность азотного УФ лазера с накачкой самостоятельным разрядом / В.Ф. Тарасенко // Квантовая электроника. - 2001. -Т. 31.-№6.-С. 489-494.

67.Ражев, A.M. Индукционный ультрафиолетовый азотный лазер / A.M. Ражев, Д.С. Чуркин // Письма в ЖЭТФ. - том 86. - вып. 6. - С. 479-483.

68. Филиппов, Ю.В. Электросинтез озона / Ю.В. Филиппов, В.А. Вобликова, В.И. Пантелеев. - М.: Изд-во Московского университета, 1987. - 236 с.

69. Самойлович, В.И. Физическая химия барьерного разряда / В.И. Самойлович, К.В. Гибалов, В.К. Козлов. -М.: Изд-во МГУ, 1989. - 176 с.

70.Райзер, Ю.П. Физика газового разряда: Учеб. руководство / Ю.П. Райзер. - М.: Наука, 1987.-592 с.

71.Бударин, М.В. Теоретические и экспериментальные исследования создания высокоэффективного озонаторного оборудования / М.В. Бударин, В.И. Пригожин // International Scientific Journal For Alternative Energy And Ecology. -2004. -№10. -C. 16-21.

72.Силкин, E.M. Синтез озона в электрических разрядах и повышение его эффективности / Е.М. Силкин // Компоненты и технологии. — 2008. - №6.

73. Исследование начального этапа процесса включения тиристоров путем регистрации рекомбинационного излучения / A.B. Белов, В.Б. Воронков, И.В. Грехов и др. // Электротехническая промышленность. - Серия «Преобразовательная техника». - 1970. - № 5.

74. Kardo-Sysoev, A.F. New Power Semiconductor Devices for Generation of Nano-and Subnanosecond Pulses / A.F. Kardo-Sysoev // Ultra-wideband Radar Technology (Editor James D. Taylor). - 2000. - P. 206-290.

75.Dynistor switches for micro- and nanosecond power pulse generators / Yu.V Aristov, I.V. Grekhov, S.V. Korotkov et al. // Acta Physica Polonica A. - 2009. -

■ Vol.115. -No.6. - P. 1031-1033.