книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

-обусловлено как электромеханическими свойствами пьезокерамических ма­ териалов, так и конструктивными особенностями ПКТН (пьезопластина крепится

водной или двух узловых точках, где механические колебания равны нулю).

Повышение быстродействия тиристорных генераторов накачки

Параметры тиристорных генераторов накачки полупроводниковых лазеров могут быть существенно улучшены за счет лавинного режима работы тиристора В указанном режиме [61] увеличивается амплитуда и сокращается время нарастания импульсоа В табл. 2.12 даны сравнительные характеристики серийных тиристоров в обычном и лавинном режимах при сопротивлении нагрузки к н = 1 Ом. Нормальному режиму соответствуют паспортные значения,

а лавинному - среднеарифметические значения параметров, полученных экспериментально. В лавинном режиме симметричные тиристоры КУ208Г характеризуются временем нарастания импульсов примерно 50 нс и наибольшим током накачки: средняя величина 1н = 107 А, а у отдельных образцов /„ = 150 А. Большое количество испытанных образцов N0 позволяет судить о разбросе

основных параметров генератора с лавинным пробоем тиристора (рис.2.56). Высокая надежность работы подобных генераторов накачки с хорошей повто­ ряемостью характеристик может быть получена при создании специальных типов лавинных тиристоров.

Таблица 2.12 Параметры тиристоров в обычном и лавинном режимах

Использование прямых широкозонных материалов типа А3 В5 с малыми

временами жизни неравновесных носителей заряда, прежде всего - арсенида галлия, а также гетеропереходов в системе GaAs - AlAs позволяет значительно повысить быстродействие импульсных тиристоров [62,63]. Это обусловлено Ускорением процессов заполнения базовых областей электронно-дырочной

121

Рис. 2.56

Рис.2.56. Гистограмма длительности фронта (а) и амплитуды (б) импульсов релаксации на тиристоре КУ202Н в лавинном режиме

Рис.2.57. Структура фотонно-инжекционного тиристора: - ток управления; /2 - выходной ток

плазмой и ее исчезновения. В тиристоре, содержащем в качестве составных частей обычныйарсенид - галлиевый транзистор п°-ря+ и оптотранзистор на основе гетероструктуры р-р-ЛГ-п0 (рис.2.57), происходят следующие процессы.

Электрический сигнал от эмиттера к коллектору передается путем преобра­ зования его гетеросветодиодом P-p-JV в световой с последующим преобразо­ ванием в электрический на переходе л°-р [62]. При этом достигается напря­ жение переключения коллекторного перехода 300 - 500 В, время задержки включения 50 нс (при повышенном токе управления). Фронт нарастания токового импульса амплитудой 25 А не превышает 20 нс, время выключения - не более 100 нс. Устойчивость работы указанных тиристоров при высокой крутизне на­ растания питающих импульсов обеспечивается без введения технологических шунтировок. На рис.2.58 показана характеристика управления - зависимость напряжения переключения от тока управления (тока эмиттер - база оптотран­ зистора ). До температур порядка 100 °С эта характеристика практически не меняется, а при более высоких температурах величина тока управления возрастает за счет уменьшения коэффициента передачи эмиттерного тока оптотранзистора в результате снижения квантового выхода излучательной рекомбинации в активной области. Таким образом, гетеротиристоры являются перспективными токовыми коммутаторами для генераторов накачки полу­ проводниковых лазеров.

Рис.2.59. Формирующий контур с ДНЗ (а), эпюры входного напряжения (б) и тока в нагрузке (в)

122

Для коррекции формы импульсов тока в малогабаритных генераторах накачки применяются полупроводниковые диоды. При этом используются инер­ ционные свойства рп перехода, обусловленные процессами накопления и рас­

сасывания неосновных носителей в базе, а диод с таким режимом работы называют диодом с накоплением заряда (ДНЗ) [65]. Когда ДНЗ переключается из состояния прямой проводимости в запертое состояние, то после сравни­ тельно протяженной фазы высокой обратной проводимости тд происходит резкое запирание диода (рис.2.59). До момента времени t = 0 через прямо-

смещенный переход протекает установившийся прямой ток /„р .В интервале тд сопротивление диода остается практически равным сопротивлению откры­ того рп перехода. Длительность фазы восстановления обратного сопротивления

ДНЗ тф составляет доли наносекунды, что позволяет формировать импульсы с временем нарастания и среза такого же порядка

Серийные ДНЗ типа КД524, КД528, КД630 позволяют формировать им­ пульсы с длительностью фронта и среза 0,1-0,3 нс и амплитудой 10^50 В на нагрузке 50 Ом.

Рис.2.60,Схема динисторного генератора импульсов с ДНЗ:

VDl9 VD2 - ДАГ-1; V D ,, VDA - КД510А (а) и форма импульса на выходе генератора с ДНЗ (б): 5 В/дел по вертикали; 2,5 нс/дел по горизонтали

Подобные результаты достигаются с помощью импульсных диодов КД503, КД522, КД510А, а также диодов 1А401, 1А403. Схема динисторного генератора накачки с ДНЗ (рис.2.60,а) содержит звенья на диодах VD3 и VD4, обеспечи­ вающие соответственно длительность фронта и среза импульса не более 1 нс.

Формирователь на ДНЗ позволяет сократить длительность импульса с т = 15 до т = 1 нс. Пьедестал амплитудой 0,25 А, обусловленный обратным током

Зависимости временных параметров выходного импульса от токов сме­ щения ДНЗ приведены на рис.2.61. Изменяя ток смещения первого диода Д , можно регулировать задержку выходного импульса относительно начала пьедестала (рис.2.61,а). Длительность формируемого по основанию опре­ деляется отношением токов первого и второго ДНЗ (рис.2.61,6). Когда величина \ н становится сравнима с временем восстановления обратного сопротивления Диодов (To,* < 3,5 нс), амплитуда импульсов Un соответственно уменьшается (кривая 2 рис.2.61,6). При значительной величине токов 119 12 для обеспечения

123

Рис.2.61. Зависимость времени задержки переключения первого ДНЗ от тока смещения 1Х (в), влияние соотношения токов смещения ДНЗ (б) на

длительность импульса (кривая 1) и на отношение амплитуд импульса и пьедестала (кривая2)

допустимого теплового режима ДНЗ следует применять импульсное напряжение смещения в 19 Е2. Пьедестал амплитудой Z/n, равной предпороговому уровню

излучателя, используется в качестве тока смещения рабочей точки, повышающего эффективность генерации оптического сигнала

Для формирования короткого фронта и среза токовых импульсов ампли­ тудой 50-100 А в качестве ДНЗ следует применять шщные выпрямительные диоды [6 6 ]. Схема малогабаритного генератора токовых импульсов с мощными

ДНЗ показана на рис. 2.6Z

Экспериментальные исследования показали, что диоды 2Д202Р в режиме накопления заряда позволяют сократить длительность фронта импульса на качки до 30 нс, а диоды Д215, Д231 - до 50 нс (рис.2.63). При этом исходный импульс, вырабатываемый тиристорным генератором, имел следующие пара метры: длительность т = 500 нс, длительность фронта тф= 200 нс, длительност! среза тс = 300 нс, частота повторения / п = 10 кГц, амплитуда 50 А в первичной обмотке трансформатора Тх и 250 А во вторичной обмотке (на эквивалент* нагрузки Я н = 0,3 Ом). Накопительная емкость С1 заряжается резонанснь^ методом через цепь L 19 VDX. Диод VD3, запираясь после рассасывания неос

новных носителей в базе, формирует короткий фронт импульса разрядной тока тф= 30 нс. Ток смещения диода VDA выбран таким образом, чтобы вое

становление обратного сопротивления происходило после завершения пре

124

Рис.2.64. Схеш тиристорного генератора накачки с ДНЗ и нелинейным дросселем: VTl9 VT2 - 2Т603Б; VT3 - 2Т803А; VDX-VD4 - 2Д504А; VDs—VDn- 2Д202Р; VD6- 2У205Г

цесса нарастания тока через первичную обмотку импульсного трансформа­ тора г х. В результате обеспечивается малая длительность среза импульса накачки т~ = 30 нс, а его длительность по уровню половины амплитуды состав­

на pnc.2.6i4 на примере тиристорного генератора накачки ПКТ [66]. В данное устройство входят: задающий блокинг-генератор (V T J, ключевые каскады (VT2, VT3), обеспечивающие импульсное питание тиристора VDC. Сигнал на запуск тиристора поступает с коллектора транзистора VT3 через дифференцирующую цепочку C3R f и диод Щ.Импульсный режим питания тиристора позволяет умень­ шить время его выключения и повысить частоту работы генератора до 1 0 кГц.

Импульс тока тиристора с длительностью -500, фронтом -200 и срезом -400 нс формируется затем элементами VD1 и Ь±. В результате достигаются временные

параметры генератора, более высокие по сравнению с быстродействием при­ меняемого тиристорного ключа (рис.2.65), т = 100 нс, тф= тс = 30-40 нс, 1Н^ 90 А.

Тс№

Рис.2.65. Зависимость длительности среза импульса накачки от количества витков насыщающегося дросселя: 1,4—2000НМ К12х5х5,5; 2,5-1000 НМ К12х5х5,5

3,6 - 0,16 ВТ К10х6х2 (два кольца); М - UH* 130 В; 4-4 - UH* 370 В

125

Данные трансформаторов и дросселя приведены в табл. 2.13. Генератор устойчиво

В отличие от диффузионного механизма восстановления сопротивления ДНЗ в обострителях на ДДРВ восстановление происходит значительно быстрее за счет большой скорости дрейфа носителей под действием сильного электричес­ кого поля. При прохождении через р+-п-л+ -диод импульса прямого тока г с длительностью т“ (рис.2 .6 6 ,а) в л-слое образуется узкая область, обогащенная

новесные носители отсутствуют. При переключении прямого тока на обратный

центрация доноров в области. Через р-л переход течет диффузионный дырочный ток. После того, как концентрация дырок у перехода упадет до значения р ~ JVa,

Рис.2.66. Схема включения ДДРВ (а) и форма напряжения на диоде (б) в процессе восстановления при I ■ ЗА: 1 -т" = 0,4 мкс, 2 -т" *» 0,8 мкс, 3 - т * = 1,2мкс, 4 - исходный обосторяемый импульс

около него начнет медленно восстанавливаться область высокого поля. Когд* это поле распространится на всю ширину обогащенной области I D, скорое* его расширения резко увеличится до значения и п. Соответственно повышает^

126

<, скорость нарастания обратного напряжения на диоде VDlf а ток через него чрезко уменьшается. Минимальное время протекания прямого тока т < 0,8 мкс для диодов с большим временем жизни нс^сителей заряда тр ограничено удобством разводки цепей формирования разнополярных импульсов: более короткий импульс обратной полярности не должен проходить через L c- фильтр в цепь формирования перепада отрицательной полярности. В ДДРВ с малым временем

(рис.2.66, б). Временная нестабильность переключения ДДРВ не превышала 50 пс

Результаты исследований серийных диодов в качестве ДДРВ обострителей, приведенные в работе [68], свидетельствуют о возможности получения мощных

---- ----------------------

127

Увеличение пикового напряжения на диоде и п до напряжения лавинного,

пробоя (в таблице отмечено *) значительно повышает крутизну нарастания импульса в нагрузке (R н = 50 Ом), т.е. кратковременная работа ДДРВ типов КД210 и КД206 с лавинным пробоем без превышения допустимой рассеиваемо^ мощности может использоваться для улучшения быстродействия генераторов накачки. Пьедестал, предшествующий резкому нарастанию обратного напря­ жения на диоде, обусловлен остаточным падением напряжения и может быть уменьшен последовательным включением нескольких обострителей на ДДРВ.

Рис.2.67. Принципиальная схема мощного генератора на дрейфовых диодах: VDX, VD7 — КУ216; VD2, VD6 - КУ108; VDX- образец ДДРВ; VD3 ,

VDS- КД203

Примером построения мощного наносекундного генератора накачки на ДДРВ может служить устройство, показанное на рис.2.67 [70]. В генераторе исполь­ зуются два последовательно соединенных дрейфовых диода VD4, каждый из которых имеет рабочее напряжение более 2 кВ и время обрыва тока 5 нс. Первый контур С2, tx обеспечивает протекание через ДДРВ тока прямой поляр­

включается с запаздыванием относительно включения такого же тиристора щ

на половину периода колебаний в контуре. Импульсы управления тиристорое VD2, VD6, коммутирующих токи примерно 400 А, формируются тиристорами

ностью 5 нс, временная нестабильность импульсов не превышает 0,1 нс Максимальная частота повторения импульсов/п = 100 Гц определялась мот ностью источника питания. Высокий КПД схемы (30 %) обеспечен за счет при менения индуктивных накопителей энергии 1 х, 1 2.

2.3. Магнитные генераторы

В магнитных генераторах импульсов используются нелинейные свойств* ферромагнитных сердечников [72]. Схема такого генератора содержит обычн* несколько звеньев, в каждое из которых вместе с дросселем или трансфор матором входит конденсатор.

128

Рис.2.68. Схема, магнитного формиро­ вателя с перключающим дросселем

Принцип действия генератора рассмотрен на примере однозвенной схемы с питанием от источника переменного напряжения, работающей в симмет­ ричном режиме, т.е. с двумя переходами сердечника в насыщенное состояние (рис.2.68) при отсутствии обмотки L n). Нелинейная кривая намагничивания

сердечника дросселя 12 (петля гистерезиса) показана на рис.2.46. В начале одного из полупериодов питающего напряжения, например положительного, сердечник не насыщен, и напряженность магнитного поля н меньше значения

Я5, соответствующего переходу в насыщенное состояние. Это объясняется малой величиной'тока i через дроссель 1 2 и законом Ампера iW2 = Щ где N2 и / - число витков обмотки L 2 и длина сердечника По мере заряда конденсатора Сх его напряжение практически полностью прикладывается к обмотке дросселя Lv

так как ток намагничивания в ненасыщенном состоянии очень мал, и падением напряжения на низкоомной нагрузке можно пренебречь. Согласно» закону Фарадея магнитный поток пропорционален интегралу напряжения на обмотке

При достижении значения Ф5 сердечник переходит в область насыщения, где напряженность поля превышает величину Hs и определяется только индуктив­

ностью насыщенного дросселя. Поскольку эта индуктивность намного меньше индуктивности зарядного дросселя конденсатор сх быстро разряжается через

нагрузочную цепь. Во время отрицательного полупериода конденсатор заряжается в противоположном направлении, сердечник перемагничивается в обратную сторону. В установившемся режиме через нагрузку протекают импульсы тока чередующейся полярности.

ЭтЪ приводит к необходимости использования демпфирующих элементов, поглощающих энергию импульсов обратного перемагничивания, которые недо­ пустимы для нагрузки с вентильным характером (полупроводниковые излучатели, магнетроны и т.п.) или могут нарушать режим работы генератора накачки за счет многократных переотражений. На практике чаще всего применяют для демпфи­ рования активный резистор или цепочку резистор-подмагниченный дроссель, подключенные параллельно нагрузке.

Для питания инжекционных излучателей требуется подавать прямой ток. Поэтому в генераторах накачки реализуется асимметричный режим с подмагничиванием дросселя L 2 постоянным током / п от вспомогательного источника с помощью дополнительной обмотки с числом витков Nn (рис.2.68). В этом случае

сердечник насыщается только в одном направлении, а в нагрузке получаются однополярные импульсы (рис.2.69) и выполняется соотношение

iN 2 + I nN n* H l ,

9 Легкий

129

Рис.2.69. Эпюры, отражающие процессы

в магнитном звене с асимметричным режимом

которое с учетом пренебрежимо малой напряженности поля для ненасыщенного дросселя определяет ток смещения, протекающий через дроссель и нагрузку в интервалах между импульсами

3TOYпроцесс называют обратным перемагничиванием. Чтобы ток 1 ^ не изменял рабочую точку излучателя щ , параллельно ему можно установить диод Щ

(рис.2.69). Важно отметить, что режим работы с одним насыщением за период обладает стабилизирующим свойством: амплитуда выходных импульсов опре­ деляется лишь величиной тока подмагничивания и емкостями конденсаторов промежуточных звеньев и практически не зависит от остальных параметров генератора Эксперимент показывает [72], что изменение зарядной индуктивности, ёмкости первого звена питающего напряжения и т.д. на 50-60% , приводит к отклонению амплитуды выходных импульсов на доли процента Это же свойство позволяет легко регулировать амплитуду импульсов накачки путем изменения тока подмагничивания без применения мощных регуляторов питающего напряжения.

Для обеспечения максимальной индуктивности при ненасыщенном дрос­ селе и минимальной индуктивности при I ФI > I Ф51 используют режим глубокого насыщения сердечника, выполняемого из высококачественных магнитных материалов с узкой петлей гистерезиса Например, железоникелевые сплавы (пермаллои) в режиме глубокого насыщения имеют напряженность магнитного

.поля в тысячи раз больше напряженности поля в ненасыщенном состоянии. За счет1этого достигается большая амплитуда импульсов накачки 1т и умень­

шается обратный ток /см-

Таким образом, магнитное звено является фактически формирователем коротких импульсов, степень сжатия по длительности в котором определяется

130