научная статья по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ ПИКОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ ПИКОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 1, с. 75-84

_ ЭЛЕКТРОНИКА _

- И РАДИОТЕХНИКА -

УДК 537

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ ПИКОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

© 2009 г. А. С. Насибов, К. В. Бережной, П. В. Шапкин, А. Г. Реутова*, С. А. Шунайлов*, М. И. Яландин*

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Россия, 119999, Москва, Ленинский просп., 53 * Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург, Россия Поступила в редакцию 22.04.2008 г.

Описана пикосекундная экспериментальная установка для формирования импульсов высокого напряжения, 30-250 кВ, с длительностью 100-500 пс и электронных пучков с плотностью тока до 1000 А ■ см-2. При построении установки применен принцип компрессии энергии импульса наносекундного высоковольтного генератора с последующим обострением и срезом импульса. Установка снабжена двумя испытательными коаксиальными камерами для возбуждения излучения в полупроводниковых кристаллах электронным пучком или электрическим полем в воздухе при атмосферном давлении и температуре 300 К. При полевой и электронной накачке получена генерация лазерного излучения на кристаллах ZnSSe, ZnSe, ZnCdS, CdS в видимом диапазоне (462, 480, 515, 525 нм соответственно). При полевом воздействии (до 106 В ■ см 1) размер области лазерной генерации достигал 300-500 мкм. Расходимость излучения не превышала 5°. Максимальная интегральная мощность излучения 6 кВт (к = 480 нм) получена при полевой накачке образца из селенида цинка с одним диэлектрическим зеркалом.

PACS: 42.50.-p, 78.45.+Ь

1. ВВЕДЕНИЕ

Развитие пикосекундной электроники больших мощностей определило новые возможности создания сильноточных источников заряженных частиц и электромагнитного излучения [1-4]. Известно, что под действием сильного (105-

107 В ■ см-1) электрического поля и электронного пучка в полупроводниках и диэлектриках происходит лавинообразная ионизация атомов решетки, в результате чего образуются электронно-дырочные (е-й)-пары. При рекомбинации (е-й)-пар возникает излучение, длина волны которого близка к ширине запрещенной зоны. При выполнении определенных требований к параметрам импульса накачки и исследуемому образцу возможны усиление и генерация лазерного излучения [5, 6].

Порог генерации и параметры импульса излучения существенным образом зависят от объемной плотности (е-й)-пар [6-8]. Для достижения высокой плотности и увеличения объема возбужденной среды необходимо увеличивать плотность тока и энергию электронов пучка или - в случае полевой накачки - напряженность электрического поля в исследуемом образце. Эту задачу можно решить, уменьшая длительность импульса накачки.

В пикосекундном диапазоне (10-10-10-12 с) резко возрастает напряжение пробоя [1], что позволяет сблизить электроды, значительно увеличить

плотность тока электронного пучка, проводить эксперименты по воздействию на полупроводники и диэлектрики электронным пучком и электрическим полем при сравнительно низком вакууме и атмосферном давлении [2, 3]. При этом следует заметить, что при воздействии пикосекундного импульса тепловая нагрузка на объект оказывается незначительной.

Ниже дано описание пикосекундной экспериментальной установки (п.э.у.), формирующей пи-косекундные (100-500 пс) импульсы высокого напряжения (30-250 кВ) и электронные пучки с плотностью тока до 1000 А ■ см-2. Приводятся результаты, полученные при возбуждении генерации лазерного излучения электронным пучком или электрическим полем в широкозонных полупроводниках А2В6. Все эксперименты проводились при комнатной температуре (Т = 300 К).

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Пикосекундные импульсы с амплитудами в десятки киловольт и выше могут быть получены различными способами, в том числе и с применением высоковольтных полупроводниковых ключей [1]. Такой вариант высоковольтного генератора можно рассматривать как основу для создания перспективных лазерных источников с пикосекунд-ным возбуждением полупроводниковых кристал-

13 12 11 10 9 6 7 5 3 1

Рис. 1. Схема экспериментальной установки с вакуумным диодом (а) и испытательной камерой (б). 1 - разрядник генератора РАДАН 303 (азот, 40 атм); 2 - пусковой электрод разрядника; 3 - электроды д.ф.л.; 4 - высокоомная передающая линия; 5, 6 - делители напряжения; 7, 8 - обостряющий и срезающий разрядники (азот, 40-60 атм) субнаносе-кундного формирователя; 9 - электроды коаксиальной передающей линии; 10 - формирующая линия (60 Ом) с воздушной или вакуумной изоляцией; 11 - катод вакуумного диода; 12 - фольговое окно; 13,14 - образец; 15 - катодный электрод; 16 - заземленный анодный электрод с окном для вывода излучения.

лов (электрическим полем или пучком), когда будут требоваться высокие частоты повторения импульсов, вплоть до единиц килогерц и более. В исследованиях, при необходимости перестройки параметров генерируемых импульсов в широких пределах, твердотельные пикосекундные генераторы пока уступают высоковольтным формирователям с емкостными накопителями энергии и искровыми коммутаторами [1, 4], с помощью которых также могут быть достигнуты более высокие амплитуды и мощности выходных импульсов.

В п.э.у. для возбуждения полупроводников и диэлектриков пикосекундными импульсами электронного пучка и электрического поля использован традиционный принцип построения высоковольтного генератора с последовательной компрессией (времяамплитудным сжатием) энергии импульса. В случае длительностей формируемого импульса <10-9 с имеются свои особенности. Перед наиболее быстрым (пикосекундным) звеном формирования применена наносекундная ступень компрессии, так как возможность достижения пи-косекундных времен включения разрядника выходного каскада требует значительного перенапряжения на электродах [9], а это, в свою очередь, можно осуществить при достаточно коротких, на-носекундных, временах воздействия высокого потенциала.

Схема п.э.у. с камерой для возбуждения образцов электронным пучком или электрическим полем представлена на рис. 1. В состав п.э.у. входят: формирователь высоковольтных наносекундных импульсов (драйвер) с двойной формирующей линией, субнаносекундный преобразователь в виде коаксиальной формирующей линии с блоком газовых разрядников высокого давления (обостря-

ющим и срезающим) и передающая линия, соединяющая высоковольтный генератор с вакуумным диодом или испытательной камерой. Предусмотрены делители напряжения, регистрирующие форму импульса на выходе драйвера и пикосекундного преобразователя. Основная изолирующая среда, заполняющая коаксиальные линии, - трансформаторное масло.

В качестве драйвера использован импульсно-пе-риодический наносекундный генератор РАДАН-303 БП разработки ИЭФ УрО РАН [10], который во многом определяет эксплуатационные особенности п.э.у. в целом. Работа п.э.у. основана на вырезании короткого импульса из более длинного (наносекундного) с помощью обостряющего и срезающего газовых разрядников (рис. 1) [11]. Преобразователи, построенные по этому принципу [11-14], позволяют изменять амплитуду, длительность и форму выходного импульса. В зависимости от состава газового заполнения разрядников (азот или водород) они допускают частоту повторения до 100-1000 Гц и более [13, 15].

Принцип работы п.э.у. следующий. При коммутации тиристорного ключа энергия из статически заряженного первичного емкостного накопителя энергии (80 мкФ, 450-500 В) передается в высоковольтный накопитель - двойную формирующую линию (д.ф.л.) (2 х 22.5 = 45 Ом) с помощью трансформатора Тесла. Зарядка д.ф.л. до максимального напряжения ~240 кВ происходит за 8 мкс. Фактическое выходное напряжение импульса д.ф.л.-генератора (рис. 2а) задается напряжением срабатывания газового разрядника (азот, 40-60 атм). В режиме самопробоя при заданном давлении газа оно зависит от величины искрового зазора, поэтому предусмотрена возможность

(a) (б) (в)

Рис. 2. а - регистрируемый емкостным делителем высоковольтный импульс наносекундного драйвера на согласованной резистивной нагрузке; • - трансформация импульса драйвера (на рис. 2а) после прохождения через высокоомную передающую линию при закороченном обостряющем разряднике (кривая 1) и при его коммутации с увеличением зазора (кривые 2-4); в - укорочение импульса (кривая 4 на рис. 26) срезающим разрядником. Осциллограммы на рис. 26, 2в получены с емкостного делителя. Регистратор - Тек1гошх-6154С, 15 ГГц.

плавного изменения зазора. Другая возможность вариации выходного напряжения - запуск разрядника высоковольтным импульсом (~100 кВ), подаваемым на дополнительный управляющий электрод (см. рис. 1а).

В случае внешнего запуска в режиме, описанном в [14], момент срабатывания разрядника имеет разброс на уровне длительности пускового импульса - в нашем случае 300-500 пс. Соответственно амплитуда импульса драйвера оказывается стабилизированной с разбросом, задаваемым точностью подачи пускового импульса по отношению к моменту включения тиристорного ключа в цепи трансформатора Тесла. Для наших условий эта точность была на уровне 50 нс на фоне (5-8)-мик-росекундного зарядного процесса д.ф.л., в результате чего стабильность выходного импульса драйвера была не хуже 1%. Такая стабильность позитивно сказывается на работе последующего звена компрессии импульса.

Импульс д.ф.л. с длительностью на полувысоте ~5 нс и скоростью нарастания напряжения на фронте ~1014 В • с-1 (рис. 2а) подается на вход пи-косекундного преобразователя с индуктивно-емкостным звеном сжатия и выходным неуправляемым разрядником-обострителем. Преобразователь работает в режиме бегущей волны. Индуктивный элемент представляет собой отрезок высокоом-ной спиральной линии, а емкостный - одиночную коаксиальную формирующую линию с волновым сопротивлением 45 Ом и временем задержки ~0.5 нс. Это устройство, принцип действия которого детально описан в [13-15], позволяет трансформировать импульс драйвера, как это показано на рис. 26, за счет изменения напряжения пробоя при плавной механической перестройке зазора неуправляемого обостряющего разрядника. Сформированный импульс с фронтом ~200 пс и длительностью ~1 нс может укор

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком