СЕМЕЙСТВО ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ДРЕЙФОВЫХ ДИОДОВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ ПИКОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

June 20, 2012 by admin Комментировать »

Козлов В. А., Смирнова И. А., Морякова С. А., Кардо-Сысоев А. Ф. Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН ул. Политехническая, 26, Санкт-Петербург 194021, Россия Тел.: (812) 2479972; e-mail: irina.smirnova@mail.ioffe.ru

Аннотация Изготовлены и исследованы дрейфовые диоды с резким восстановлением, обладающие быстродействием -100 пс и временной стабильностью момента переключения ~10 пс. Диоды предназначены для генерации мощных пикосекундных импульсных сигналов, используемых в технике сверхширокополосной беспроводной связи, радиолокации, навигации и дистанционного зондирования.

I.  Введение

За последние 10 лет в науке и технике сформировалось и бурно развивается новое направление сверхширокополосная короткоимпульсная электродинамика (СКЭ). Данное направление очень близко к СВЧ-технике как по используемому частотному диапазону, так и по своим областям практического применения. Однако, в отличие от СВЧ-техники, СКЭ базируется на использовании коротких широкополосных сигналов, частотный спектр которых обычно занимает диапазон от 108 до Ю10 Гц, и не оперирует с узкополосными «гармоническими» сигналами, типичными для подавляющего числа современных радиоэлектронных устройств. Использование принципов СКЭ позволяет по-новому и более эффективно в сравнении с традиционными «узкополосными» методами решать многие задачи в таких областях техники как средства беспроводной связи и телекоммуникации, навигации и геопозиционирования, радиолокации и дистанционного зондирования, а также в ряде практически важных направлений развития новой техники для медицины и экологии.

На сегодняшний день широкое практическое использование СКЭ сдерживается отсутствием простых, эффективных и дешевых устройств для формирования короткоимпульсных сигналов. Основной проблемой в решении задачи построения таких устройств является отсутствие твердотельных приборов ключевого типа, отвечающих требованиям технических средств СКЭ: пикосекундное быстродействие, высокая временная стабильность переключения, большие (>106 Гц) частоты повторения и импульсные мощности. Целью настоящей работы являлись разработка и исследование твердотельных приборов с данной совокупностью характеристик на базе дальнейшего развития физики и техники полупроводниковых прерывателей тока, предложенных нами для генерации импульсных сигналов наносекундной длительности и получивших название дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) [1, 2].

II.  Теория

Основные физические принципы работы ДДРВ с наносекундным быстродействием были сформулированы в работах [2, 3]. Задача повышения быстродействия ДЦРВ при переходе из наносекундного в пикосекундный диапазон времен переключения является по сути задачей пространственно-временного масштабирования процессов диффузии и дрейфа носителей заряда в полупроводниковой структуре диода.

Решение данной задачи не является тривиальным. Для точного описания этих процессов невозможно использовать простые аналитические решения для диффузии и дрейфа носителей. Поэтому при моделировании ДДРВ с пикосекундным быстродействием использовались численные методы решения данной задачи. Такое моделирование позволило определить оптимальные геометрические и электрофизические параметры структур приборов, а также режимы и области их надежной работы для трех типов приборов: ДДРВ на рабочее напряжение 500 В с быстродействием -500 пс, ДДРВ на 200 В с быстродействием 200 пс, ДДРВ на 100 В с быстродействием -100 пс. Основные параметры для этих трех семейств ДДРВ приведены в таблице.

Тип ДДРВ

500 В/ 500 пс

200 В/ 200 пс

100 В/ 100 пс

Равновесная концентрация электронов в n-базе, см’3

8-1014

2.5-1015

1.2-1016

Глубина р-n перехода, мкм

25

8

4.5

Время жизни дырок в пбазе, мкс

-20

-5

-1

Ширина слоя объемного заряда при пробое, мкм

-45

-10

-5

Напряжение лавинного пробоя р-n перехода, В

-550

-220

-110

Рабочая плотность тока, кА

0.9-1.2

2.7-3.3

10-12

Время переключения, пс

520±20

220±10

120±5

Время этапа накачки, не

80-130

20-50

10-15

Средняя частота переключения, МГц

5

15

50

III.  Эксперимент

Для изготовления ДДРВ была использована эпитаксиально-диффузионная технология формирования полупроводниковой р+-п-п+ структуры приборов. Эмиттерная и базовая p-области приборов формировались диффузией бора и галлия в слаболегированный эпитаксиальный слой n-базы. Технологические режимы многостадийной диффузии для формирования заданных распределений акцепторных примесей в приборе рассчитывались по программе «Факт». Для повышения точности, воспроизводимости и однородности при создании р+-эмиттера использовалась технология ионного легирования.

Структуры ДДРВ изготавливались из эпитаксиальных п-п+ пластин Si (100) диаметром 76 мм и толщиной 625 мкм. Образцы ДДРВ формировались на пластинах по групповой технологии путем изготовления меза-структур и механического разделения на дискретные чипы. Последние устанавливались на малоиндуктивные кристаллодержатели из керамики 22ХС или поликора, герметизировались и проходили тестконтроль статических и динамических характеристик.

Динамические характеристики изготовленных ДДРВ тестировались в импульсной схеме, предназначенной для формирования колоколообразных электрических импульсов с временем нарастания, равным быстродействию ДДРВ. Типичные формы таких импульсов для различных типов ДДРВ представлены на рис.1. Следует отметить, что все типы ДДРВ обеспечивали при переключении примерно равную скорость повышения напряжения на р-пструктуре dl//dM012 В/с, соответствующую теоретическому пределу для структур данного типа. Кроме того, все три семейства ДДРВ продемонстрировали высокую стабильность момента переключения во времени (джиттер ~10′11 с). Это позволило создать более мощные высоковольтные твердотельные ключи-размыкатели на основе сборок из последовательно соединенных дискретных ДДРВ, обладающих быстродействием типичным для единичной структуры.

Рис. 1. Форма импульсов ДДРВ Fig. 1. A typical shape of the DSRD pulse

IV.  Заключение

Разработаны, изготовлены и исследованы 3 семейства нового поколения ДДРВ. Впервые быстродействие кремниевых ДДРВ доведено до уровня 100 пс, стабильность их переключения во времени до величины менее 10′11 с, а средняя рабочая частота переключений до 30 МГц., Твердотельные ключи на основе таких ДДРВ наилучшим образом соответствуют требованиям СКЭ и пригодны для использования в таких областях техники как средства беспроводной связи и передачи данных, навигации и геопозиционирования, радиолокации и дистанционного зондирования.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант N 02-02-08028). Авторы выражают благодарность С.В. Зазулину, В.И. Брылевскому и В.Г. Сергееву за помощь в испытании и тестировании разработанных ДДРВ в различных импульсных схемах и устройствах.

V.  Список литературы

[1]  Grekhov I. V., Efanov V. М., Kardo-Sysoev A. F., ShendereyS. V. Sol. St. Electr., 1985, v. 28, No 4, p. 597.

[2]  Kardo-Sysoev A. F., Popova М. V. Sov. Semicond., 1991, v. 25, No 1, p.1.

[3]  Kardo-Sysoev A. F. New semiconductor devices for generation of nanoand subnanosecond pulses, chapter 9 in the book “Ultra-Wideband Radar Technology” Ed. By D. Taylor, Boca Raton, London, N-Y, Washington D.C.; CRC Press, 2001, pp. 205-290.

NEW GENERATION OF DRIFT STEP RECOVERY DIODES FOR PICOSECOND SWITCHING AND HIGH REPETITION RATE OPERATION

Kozlov V. A., Smirnova I. A.,

Moryakova S. A., Kardo-Sysoyev A. F.

Ioffe Physico-Technical Institute, RAS

26  Politechnicheskaya St., St Petersburg,

Russia, 194021 phone +7 (812) 2479972 e-mail: irina.smirnova@mail.ioffe.ru

Abstract A new generation of drift step recovery diodes (DSRD) has been developed and demonstrated. Switching time of the DSRDs was reduced down to the 100ps level, while average pulse repetition rate increased up to 10MHz with time stability of switching as low as 10ps. Fast, stable and high-frequency operation of silicon DSRDs makes them suitable for time-domain radio telecommunications, UWB radars, and other uses.

I.  Introduction

The progress in the development of short-pulse power modulators for modern ultra-wideband (UWB) systems (precise radars and geopositioning systems, UWB wireless communication, etc.) resulted in the demand for ultrafast pulse power switches that are the most restricting elements of short pulse generators. Picosecond switching, high peak power and high pulse repetition rates together with good time stability of switching are of particular importance for these devices. One of the most promising switches meeting these requirements is a semiconductor drift step recovery diode. At present DSRD is widely used as a key device in different pulse power sharpening circuits and pulse generators.

II.  Theory

The main problem to be solved is to scale down physical phenomena in a traditional ‘thick’ DSRD with nanosecond switching speed to much shorter times and smaller sizes. The DSRD operation is based on a delicate balance between diffusion and drift of charge carriers during charge plasma pumping and removing in the device structure [1,2]. With a decrease in switching time and sizes of DSRD, specific times of carriers transport related to charge diffusion change as a second order of linear device sizes, while drift times related to electrical drift process change as a first order of the device thickness. Here the ratio of zones of field and diffusion processes is strongly redistributed in ‘thin’ ultrafast DSRD structures. This redistribution significantly affects the switching regimes of the devices under consideration. Besides, when it is necessary to make a conversion of specific device layer thickness and active device area, both the design and technology of DSRD manufacturing have to be changed considerably.

III.  Experiment

A new generation of DSRDs for picosecond switching operation has been specially developed and tested. Three main types of single DSRD-chip structures with 500V/500ps, 200V/200ps and 100V/100ps rating of blocking voltage and switching time represent three basic DSRD families in this new generation. The table above summarizes the performance, electro-physical, electrical and geometrical parameters of the new diodes. The epibase technique of the starting double-layer n+-n Si structure fabrication, ion implantation and multistep diffusion of В and Ga for p-n junction formation were used. This new manufacturing approach differs from traditional technology of high-voltage nanosecond DSRD fabrication in being more complicated but nevertheless offering the dopant impurity profile in thin p+-n-n+-structures with higher doping uniformity, precision and run-to-run repeatability. Application of the new technological approach has proved to be correct for a subnanosecond DSRD production with high DSRD chip yield. A typical wave shape of the pulses tested for the DSRD chips taken from different families is shown in Fig. 1.

IV.  Conclusion

A new generation of drift step recovery diodes for picosecond switching and high frequency operation has been developed and demonstrated. The advanced design of these devices differs favourably from that proposed earlier.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты