книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

Рис.2.25. Структура (с) и вольт-амперная характеристика (б) динистора; простейшая схема динисторного генератора накачки (в)

Для оценки потенциальных возможностей тиристорных генераторов токовых импульсов следует учитывать процессы, протекающие при включении и выклю­ чении рорпютруктуры. В свою очередь, зная присущие тиристорам ограничения по быстродействию и в ряде случаев по амплитуде, можно создавать рациональные схемы генераторов накачки на основе соответствующих схемотехнических решений.

Динистор (рис. 2.25, а) содержит два рл перехода (первый и третий), сме­ щенные в прямом направлении, и второй переход (коллекторный), к которому приложено обратное напряжение. Вольт-амперная характеристика динистора (рис. 2.25,6) имеет определенное сходство с лавинным транзистором [41]. На начальном участке Оа очень малый ток в цепи питания определяется формулой

обратный ток коллекторного перехода, в общем случае зависимый от напряжения U2 на нем; M -M fU J - коэффициент лавинного умножения. На переходном участке ав возрастает коэффициент X, в результате сопротивление структуры снижается,

увеличение напряжения замедляется согласно выражению

В точке включения в d U jd l = 0, т.е. дифференциальное сопротивление обращается в нуль. При дальнейшем повышении тока величина £ стремится возрасти, но для

обеспечения в формуле (2.16) положительного значения знаменателя коэффициент М должен уменьшаться, что соответствует снижению напряжения и2, т.е. отри­

цательному сопротивлению

Средняя величина I г I между точкой включения динистора в и точкой с состав­

ляет 5-100 кОм.

91

В отличие от лавинного транзистора коэффициент £ в формуле (2.17) может

превышать единицу, а напряжение на коллекторном переходе может становиться нулевым при конечном токе7 = 1^/1 - £ . Тогда в точке с напряжение U = Ue яв­

ляется суммой напряжений на эмиттерных переходах и не превышает 1 В. Малое рабочее напряжение в области больших токов выгодно отличает динисторы от лавинных транзисторов. При I > / с коллекторный переход смещается в обратном

направлении,напряжение на динисторе после достижения минимального значения в точке выключения 6 незначительно растет с увеличением тока (рис.2.25,6).

С точки зрения получения коротких токовых импульсов большой амплитуды в генераторах накачки целесообразно применять’динисторы с высоким напря­ жением включения и в. За счет этого в сравнительно малой накопительной емкости С можно сосредоточить значительную энергию Е - C U J 2 . С целью повышения напряжения и в стараются обеспечить медленное увеличение коэф­ фициента передачи тока переходов динистора L с ростом тока на участке а а При

длительности импульсов накачки десятки - сотни наносекунд динисторы с напряжением включения и в < 30 В удобны при использовании в транзисторной

аппаратуре.

Для расчета динисторных генераторов накачки можно использовать фи зическую модель р-я-р-п-структуры [51], основанную на учете явления накоплена основных носителей заряда в изолированных базах, изменяющих напряжение смещения р-л-переходов, и явления "заплывания” коллекторного р-л-переходг в результате прохождения через область пространственного заряда (ОПЗ потока носителей. Указанная модель объясняет основные свойства двух электродных приборов на основе р-л-р-л-структуры: положительная обратна связь по току, приводящая к появлению участка ВАХ с отрицательным диффе ренциальным сопротивлением, индуктивный характер реактивного сопротив ления, зависимость времени задержки включения от амплитуды переключающей

заряда подвижных ионизированных атомов примеси в ОПЗ подвижными нс сителями заряда При этом напряжение на коллекторном p-л-переходе ум ет шается, а на открытом эмиттерном переходе возрастает, т.е. поток носителе заряда, вызвавших указанный эффект, дополнительно увеличивается Такт образом, имеет место положительная обратная связь с отставанием приращени тока относительно вызвавшего его отрицательного приращения коллектроног напряжения, и реактивное сопротивление четырехслойной структуры носу

индуктивный характер.

Зависимая от амплитуды переключающего импульса задержка включен* динистора и "эффект 61/dt "обусловлены накоплением заряда основных нос

телей в л- и p-базах, необходимого для прямого смещения одного из эмиттернь переходов, когда за счет инжекции* носителей восстанавливается электроней ральность соответствующей базы. При этом чем меньше крутизна фронта 61/

переключающего импульса, тем большая его амплитуда требуется для BKJII чения структуры. В свою очередь, при одинаковых амплитудных значент переключающего импульсе время задержки t 3 будет тем больше, чем меньи крутизна 61/dt.

Указанная физическая модель позволяет аналитически описать В/ р-л-р-п-структуры в двухэлектродном включении для соотношения дырочн и электронной составляющих коллекторного тока I p> I n[5 2J.

92

N ЯS *N 0v — (Xg- £ f ) I

K w N 0q S , N v H A ~ A ) I

где i / K0= и ™ ^ Л -(1 н/Г) ~ напряжение смещения коллекторного перехода без учета

п—рп и р+л-транзисторов, составляющих л-р-п-р-структуру; I - ток через структуру. Значение индуктивности структуры на участке отрицательного дифферен­ циального сопротивления г„ определяется уменьшением напряжения

на коллекторе

г пр г к ‘ пр>

где ^ - (/ + W)/v - время пролета носителями слоя ОПЗ шириной / и базы шириной W. Дифференцируя выражение UJJ), получаем

где шг - граничные частоты транзисторов структуры. Ток включения динистора, при котором гк= 0 и 1 = 0, равен

m ( N t + N A) q v S K

н + ( £ , - £ , )

Необходимо отметить, что напряжение пробоя и в и коэффициенты усиления

по токуХг и «Cj определяются экспериментально путем измерения токов транзисторного эквивалента Обычно Д = 2/3, = 1/3. Сумма X, и равна единице независимо от тока 1. Концентрации N t и Определяются по соответ-

ствующим номограммам [53].

Таким образом, индуктивность р-п-р-п-структуры пропорциональна модулю дифференциального сопротивления и может достигать несколько миллигенри.

93

Рис.2.26. Схема питания полупроводникового лазера ЛПИ-101 с генератором накачки на двух динисторах: VTX —КТ117Г, VD3 —ДАГ-1, VD4 —ДАГ-2,

ADX-ПКГ

Простейшая схема динисторного генератора накачки импульсных инжекционных излучателей изображена на рис.2.25,в. Накопительный конденсатор Сн заряжается через резистор Rx до напряжения источника питания Е п, которое

выбирается меньше, чем напряжение вкдочения UBдинистора VDX. При подаче запускающего импульса отрицательной полярности напряжение на динисторе возрастает U = Еп + 1 /^ , нагрузочная прямая сдвигается правее точки вклю­

чения (рис.2.25,6). Динистор открывается, разряжая емкость Сн через лазер. Значительное нежелательное влияние инерционности динисторов при создании генераторов накачки наносекундного диапазона, показанное выше теоретически, подтверждается практическими измерениями. Так, динисторы ДАГ-1, ДАГ-2 на основе GaAs, используемые в излучателе ЛПИ-101 попарно для увеличения энергии накачки, генерируют токовые импульсы амплитудой 25 А и длительностью! = 80-100 нс при величине накопительной емкости Сн = 200 нФ (рис.2.26). Сокращение длительности т до 10 нс за счет малой накопительной емкости Сн = 2 нФ) сопровождается снижением тока накачки до 7 -10 А. Гене­ ратор запуска излучателя ЛПИ-101 (рис.2£6) собран на однопереходном тран­ зисторе VTlt что максимально упрощает принципиальную схему. Амплитуда запускающих импульсов составляет около 17 В при длительности 12 мкс

и частоте повторения 2 кГц.

Рис.2.27. Динисторный генератор накачки с выключающим контуром (с) и формой токов в его цепях (б)

94

С практической точки зрения, схема генератора накачки должна обеспечивать достаточную повторяемость параметров токовых импульсов и высокую надеж­ ность при большом разбросе характеристик динисторов. Так, в схеме генератора с выключающим L XC3 - контуром (рис.2.27,а) может быть применен динистор УДХ с любым током выключения [55]. Конденсатор С2 является накопительным элементом и вместе с заоядным резистором R x определяет частоту повторения импульсов. Последовательный колебательный контур L XC3 подключен параллельно емкости С2 и после её разряда, когда заканчивается импульс накачки, обеспе­

стабильной работы такого генератора накачки являются:

1) для выключения динистора сразу после импульса накачки период колебаний Г должен быть сравним с длительностью импульса т;

Т ~ 1/со0 = 2я V L ^С 3> ЗС2 = т ,

где Rz - суммарное сопротивление открытого динистора и лазера;

2) минимальный период повторения импульсов определяется допустимым температурным режимом динистора и лазера

^пгт= + С3) > 3C2RZ ,

т.е. скважность импульсов накачки следует выбирать q = r nmjn/ x > 1000.

3) выключающий контур должен иметь достаточно малое затухание б , чтобы амплитуда отрицательной полуволны тока была достаточной для выклю­

Ток в цепи динистор-лазер /„(*) является суммой разрядного тока ip(f) накопительной емкости С2и тока iK(Q последовательного контура L XC3(рис.2.27,6). При условии Rz = const, Я£ /р < 1, Т п > т процесс разряда конденсатора С2

с учетом тока / к описывается дифференциальным уравнением третьего порядка

затухание контура, когда амплитуда отрицательной полуволны тока контура

де тнвремя жизни носителей. Таким образом, условия надежного выключения динистора определяют величину индуктивности L x:

^ J C 2< L x<C 3R b

95

Остальные элементы генератора выбираются следующим образом. Накопи-., тельная емкость

_ Рюл т

2 - w „(E -< tz )

где д - внешний КПД лазера; <рл - падение напряжения на лазере. Сопротивление зарядного резистора Rt = 1 /3 C3t„ . Минимальная емкость контура находится из неравенства С, > t ^ J R. . Индуктивность контура, определяемая первым

условием стабильной работы, рассчитывается по формуле

L t = (R j Са)а/4С Э,

после чего проверяется выполнение условия надежности выключения динистора. Указанный генератор с динисторами на основе GaAs (напряжение включения Uв = 15 В) обеспечивает при величине накопительной емкости С, = 200 нФ им­

пульсы тока амплитудой до 30 А и длительностью т = 100 нс. При изменении частоты повторения от 100 Гц до 90 кГц надежное выключение динистора достигалось путем регулирования параметров контура: = 5-100 мкГн, С, = 500-2-105 пФ. Следует отметить, что применение в динисторнрм генераторе накачки выключающего контура несколько снижает его КПД - на 5 -2 0 % . Кон­ струкция генератора должна обеспечивать минимальную паразитную индук­ тивность 1„ за счет сокращения длины разрядного контура Это связано с тем, что значительная величина 1„ увеличивает постоянную времени т п = L„/R y

и соответственно затягивает фронт импульса накачки. Кроме того, паразитный колебательный контур ЬпС2 может давать колебательный процесс на вершине

импульса тока с периодом десятки - сотни наносекунд.

При подаче дополнительного (базового) тока через переход pt -nt (ри&228,а)

тиристор приобретает свойства тиратрона Характерно, что увеличение прямого управляющего тока в цепи базы (при отрицательном напряжении смещения базы) приводит к уменьшению напряжения включения тринистора при некотором снижении тока / к в токе выключения (рис228,б)- Выражение (2.16) теперь ста­ новится более общим [41]:

_ M W+ (M A )J 6

Последняя формула позволяет найти вольт-амперную характеристику тринистора

Нулевое напряжение на коллекторном переходе (аналогично точке с рис.225,б)| достигается при условии

£ = A a K + A + A < t y “ 1 -

Таким образом, действительно, с увеличением тока 1б , когда растет коэффи­ циент А> за счет снижения коэффициента А уменьшается ток /„ (VK= 0), а вместе

36

Рис.2.28. Структура (а) и рабочий цикл (б) тринистора

Рис.2.29. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы тиристорного формирователя импульсов

с ними ток выключения тринистора Поскольку .коллекторный ток / к открытого тринистора* значительно больше базового тока то его параметры при этом практически не отличаются от параметров динистора В дальнейшем, говоря о тринисторных генераторах накачки, будем использовать традиционное

при большем напряжении включения, когда падение напряжения на сопротив­

в следующем. Если 1£к1 < и 9то рабочей точкой запертого тринистора является

(путем снижения напряжения питания до значения Бк-то чки / ', е'/ ) гпибо задают в базу^ значительный отрицательный ток (пунктирная линия на рио2 £ 8*б).

Быстродействие тиристоров (время включения * доли микросекунд, время выключения - десятки микросекунд) необходимо учитывать лри проектировании генераторов токовых импульсов малой длительности, так как инерционность указанного ключа, как правило, превышает постоянную времени цепи накопи­ тельный элемент - открытый тиристор - нагрузка (излучатель с внутренним сопротивлением менее 10 Ом). Поэтому при анализе переходных процессов в разрядном контуре (рио2.29,а) представим его эквивалентной схемой

место асимптотический процесс, и решение уравнения дает выражение, ош+ сывающее закон изменения разрядного тока

Экспериментальные исследования параметров импульсных тиристоров

Неявный вид зависимости основных характеристик тиристорного ключа oi параметров управляющего сигнала и импульса питания не позволяет получить аналитические выражения, подобные математической модели четырехслойноь структуры в двухэлектродном включении. Поэтому исследования скоростных у

амплитудных возможностей тиристоров производились экспериментально. Дл; определения интервалов использовалась установка, состоящая и: зарядной линии с волновым сопротивлением 8 Ом (20 ячеек с постоянной вре

мени тяч= 45 нс), запускающего генератора, двухлучевого осциллографа, а тага измерителя временных интервалов И2-7. При подаче на управляющий электро* запускающего импульса (рис.2.30, а) тиристор открывается и линия, зарлженна через резистор Д 3= 3 кОм до напряжения 1/^ , подключается к нагрузочном1

сопротивлению-эквиваленту. Время задержки включения тиристора фиксирс валось с помощью двухлучевого осциллографа как интервал между момента подачи импульса запуска в цепь управляющего электрода до момента, когд выходной импульс достигает уровня 0,1 его амплитудного значения. С помощы измерителя И2-7 длительность интервала ^определялась как время нарастани выходного импульса между уровнями 0 ,1 - 0 ,9 его амплитуды.

Экспериментальные данные о влиянии различных параметров на врем

J = 100 А и т = 2 мкс. Поскольку задержка включения тиристора обусловлеь процессами диффузии и рекомбинации носителей в базовой области, амплитуд

(рис.2.33). Время нарастания тока тиристора, определяемое главным образ*

98

Рис.2.30. Эпюры токов и напряжений на управляющем (а) и анодном (б) электродах тиристора при включении

Рис.2.31. Зависимость времени задержки включения тиристоров 2У205Г от амплитуды импульсов управления при Гокр = 25 eC: 1 - £/пр зкр ■ 400 В;

2-^пр.,кр=600В;3-£/пр.зкр = 800В

дрейфом неосновных носителей и внутренней положительной обратной связью, существенно зависит от напряжения, приложенного к закрытому тиристору, причем крутизна этой зависимости возрастает с увеличением выходного тока /пр (рис.2.33). Отсюда видно, что для сокращения длительности фронта излучаемого импульса в генераторе накачки целесообразно применять высоковольтные тиристоры. Графики рис.2.31, полученные при тупр= 5 мкс, / упр= 1 кГц, / упр= 2 А, т=5 мкс, Гокр= +60 °С, показывают взаимное влияние величины коммутируемого тока и времени Измеренная зависимость t ^ ( I np) t приведенная на рис.2.30,

близка к линейной. Это свидетельствует о том, что для генераторов токовых импульсов малой длительности определяющим' параметром тиристоного ключа Шляется крутизна нарастания коммутируемого тока.

7 *

99

Рис.2.33. Зависимость длительности интервала fH№от анодного напряжения

тока / пр за счет увеличения сопротивления нагрузки приводит к соответствую­ щему снижению интервала t m . Некоторая нелинейность графика при 1 пр< 40 А

обусловлена возрастающим влиянием инерционности нагрузочной цепи при большом сопротивлении Д н, когда значение определяется как скоростью включения тиристора, так и постоянной времени разрядного контура Харак

= 1000 Гц, т = 17 мкс. Видно, что время нарастания тока незначительно умень­

Т<щ>~+ ЮО °С по сравнению с Гокр = + 2 0 °С). Сравнительные экспериментальные

данные по скорости включения для нескольких распространенных типов тирио торов приведены в табл.2.9. Таблица подтверждает выводы о лучшем быстро действии высоковольтных приборов (2У203Е, 2У203И, а также 2У205Г).

При создании генераторов токовых импульсов важно знать время установления полной проводимости тиристоров, т.е. интервал fycT> в течение которого напряжение на аноде уменьшается от уровня 0 ,1 t/npL3K до стационарного оста­ точного напряжения U^ (рис.2.30). Сравнительно большая величина fycr обус­

ловлена двумя механизмами: постепенной модуляцией сопротивления кремнии неосновными носителями и характером распространения состояния переключения по поверхности рп перехода. При этом процесс переключения возникав!

первоначально вблизи базового выводы, а затем распространяется по поверх ности перехода с конечной скоростью. Именно следствием постепенного рас пространенил процесса переключения и является довольно длительное время, необходимое для снижения сопротивления тиристора

Экспериментальные исследования (рис.2.36) показали, что время устано ления полной проводимости тиристора примерно на порядок превышает вреь нарастания тока и достигает 2,5 - 3,5 мкс у приборов типа 2У203И и 6,5 - 9,5 0

100