научная статья по теме ЗАДЕРЖКА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЛАВИННЫХ S-ДИОДОВ В СХЕМЕ С ОПТИЧЕСКИМ ЗАПУСКОМ Физика

Текст научной статьи на тему «ЗАДЕРЖКА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЛАВИННЫХ S-ДИОДОВ В СХЕМЕ С ОПТИЧЕСКИМ ЗАПУСКОМ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 4, с. 80-82

ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.382.2

ЗАДЕРЖКА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЛАВИННЫХ S-ДИОДОВ В СХЕМЕ

С ОПТИЧЕСКИМ ЗАПУСКОМ

© 2011 г. И. А. Прудаев, М. С. Скакунов, О. П. Толбанов, С. С. Хлудков, К. М. Дегтяренко

Томский государственный университет Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 36 E-mail: prudaev@rid.tom.ru Поступила в редакцию 13.01.2010 г.

Представлены результаты исследования лавинных S-диодов в схеме с импульсным оптическим запуском. Приведены экспериментальные зависимости времени задержки переключения S-диодов из закрытого в открытое состояние от энергии лазерного излучения с длиной волны 0.78 мкм. Показано, что задержка переключения лавинных S-диодов обусловлена процессом перезарядки глубоких ловушек в области пространственного заряда.

ВВЕДЕНИЕ

Лавинный импульсный 8-диод относится к классу приборов с.в.ч.-электроники. На обратной ветви его вольт-амперной характеристики (в.а.х.) наблюдается участок отрицательного дифференциального сопротивления. 8-диоды используются в качестве пороговых элементов в схемах импульсного питания различных радиоэлектронных устройств [1]. Особенностью такого прибора являются малые времена переключения (<1 нс) при больших значениях коммутируемого напряжения (до 1000 В) и тока (до 50 А).

В основе конструкции лавинного 8-диода лежит полупроводниковая структура п—V—п-типа, полученная путем компенсации я-ОаАз примесью, создающей глубокие акцепторные центры в запрещенной зоне полупроводника. Механизм переключения связан с перезарядкой глубоких центров в условиях микроплазменного лавинного пробоя п—v-перехода. Структуры обладают чувствительностью к и.к.-излучению, в связи с чем ранее было предложено использовать их в качестве оптоэлектронной пары, что позволило бы создать гальваническую развязку цепей входа и выхода в устройствах формирования импульсов [2]. В литературе отсутствует информация о работе 8-диодов в условиях импульсной засветки.

В настоящей работе представлены результаты исследования 8-диодов в схеме с импульсным оптическим запуском, анализируются закономерности задержки переключения от энергии излучения, обсуждается механизм формирования задержки.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследовались 8-диоды, электронно-дырочный переход которых создавался диффузией хро-

ма в ОаАз [3]. Исходная концентрация донорной примеси в ОаАз составляла 2 • 1016 см-3. Распределение концентрации хрома имело вид функции дополнения интеграла ошибок до единицы с поверхностной концентрацией, равной 9 • 1016 см-3. Градиент концентрации примеси в области п^-перехода составлял ак = 1019 см-4. Усредненное значение удельного сопротивления п-области равно 109 Ом • см.

Лавинные 8-диоды изготавливали по мезапла-нарной технологии. Размер кристаллов составлял 0.8 х 0.8 мм, диаметр мезаструктуры — 300 мкм. В качестве контактов использовали сплав РЪ(6%)-8п(91%)-А?(3)%, который вплавляли с обеих сторон кристаллов в потоке водорода при температуре 580°С. Диоды изготавливались в бескорпусном исполнении.

Блок-схема измерительной установки представлена на рис. 1. Измеряли зависимости времени задержки переключения от энергии излучения в импульсе. Запуск диодов осуществляли одиночными оптическими импульсами с длиной волны X = 0.78 мкм; засветку проводили в направлении, параллельном плоскости контактов 8-диода. Каждую точку на зависимости времени задержки от энергии излучения измеряли 3 раза. Всего было измерено 10 диодов.

В качестве емкости использовали коаксиальную линию с волновым сопротивлением 50 Ом, в качестве источника питания — КекЫеу 8оигееМе1ег 2410. Измерения проводили с помощью осциллографа ЬеСгоу 104 Хз (полоса пропускания 1 ГГц, частота выборки 5 Гвыб/с). В качестве фотоприемника использовали фотодиод ФД256 (собственное время срабатывания <2 нс). Источником излучения служил лазер на органических красителях (длина волны X = 0.78 мкм), оптиче-

ЗАДЕРЖКА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЛАВИННЫХ S-ДИОДОВ

81

S-диод

Фотодиод + U

K1 о СЗ & о K2

§

1 и а Г

J О Lr

R

н2

Рис. 1. Блок-схема измерительной установки. Е — источник питания 8-диода (до 1000 В); КЛ — коаксиальная линия; К1? К2 — первый и второй каналы осциллографа; Яо — ограничительное сопротивление; Ян1, Ян2 — нагрузочные сопротивления в измерительных цепях; напряжение питания фотодиода и = 60 В.

ская накачка которого реализована при помощи коммерческого лазера Solar LQ 129 с длиной волны X = 0.53 мкм. Измерение энергии излучения проводили с помощью прибора Gentec-e ED-100A UV.

Использовали схему релаксатора на S-диоде [1]. Прикладываемое постоянное смещение было меньше напряжения переключения, но достаточным для развития микроплазменного лавинного пробоя (на статической вольт-амперной характеристике при напряжениях эксперимента наблюдается экспоненциальный рост силы тока с напряжением). При засветке диод переключался в открытое состояние за время <0.5 нс, что приводило к разрядке накопительной емкости и формированию импульса напряжения на нагрузке. Под временем задержки понималось время между фронтом запускающего импульса по уровню 0.5, измеренного при помощи фотодиода, и фронтом импульса в цепи лавинного S-диода по уровню 0.5.

L, нс

8 -

4 -

2 -

15

30

45

60 75

E, мкДж

Рис. 2. Зависимости времени задержки от энергии излучения в линейных координатах для напряжения питания 8-диода: 1 - 200 В, 2 - 250 В, 3 - 300 В.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 представлены типичные зависимости времени задержки от энергии излучения. Видно, что при увеличении энергии время задержки уменьшается. Увеличение напряжения, поданного на 8-диод, также приводит к уменьшению времени задержки. Во всех случаях при изменении энергии в 5 раз время задержки изменяется в среднем в 4 раза. Стоит отметить, что временная нестабильность переключения слабо изменяется при увеличении энергии излучения, на рис. 2 она обозначена в виде доверительных интервалов и составляет в среднем 0.4 нс.

Обсудим полученные результаты.

Ранее было показано, что в схемах обострения, когда на 8-диод, помимо постоянного напряжения, подается импульсное, задержка переключения обусловлена процессами перезарядки глубоких уровней и может быть представлена следующим выражением [2, 4]:

1

tз =

О pVsP

(1)

где а р — сечение захвата дырок на глубокие уровни хрома, V — скорость насыщения дырок в области пространственного заряда (о.п.з.), р — общая концентрация дырок, которая в нашем случае складывается из фотоносителей р) и лавинных дырок (рл). Концентрация фотодырок зависит от энергии поглощенного излучения (Еп), а величина рл — от приложенного постоянного напряжения смещения (и). Соответственно формулу (1) можно переписать в следующем виде:

С1 = о рКРф(Еп) + а рУ$рл (и) = а рУ3Рф(Еп) + / (и). (2)

Функция /(и) не зависит от энергии поглощенного излучения, а зависимость от напряжения смещения может носить сложный характер, так как она должна учитывать микроплазменный характер лавинного пробоя.

Для того чтобы вывести зависимость рф от Еп, учтем, что часть излучения отражается от цилин-

82

ПРУДАЕВ и др.

*з-1, не-1 0.5

15

30

45

60

75

E, мкДж

На рис. 3 представлены экспериментальные

зависимости, перестроенные в координатах г з- \ Е. В пределах погрешности эти зависимости являются прямолинейными. Расчет тангенса угла наклона из экспериментальных зависимостей для различных 8-диодов и различных напряжений дает значения от 4 • 1012 до 8 • 1012 (Дж • с)-1. Используя среднее экспериментальное значение у = 6 • 1012 (Дж • с)-1 и сопоставляя его с расчетным значением, можно оценить квантовую эффективность. Она равна п ~ 4.69 • 10-4, что является вполне приемлемой величиной для специально не подготовленной цилиндрической поверхности меза-структуры (для сравнения, у промышленных солнечных элементов п составляет 0.15-0.20).

Рис. 3. Зависимости времени задержки от энергии излучения в координатах 1/t3, E для напряжения питания S-диода: 1 - 200 В, 2 - 250 В, 3 - 300 В.

дрической поверхности мезаструктуры. Тогда можно записать следующее [5]

= N = 3^, (3)

ф V V Vhv где Np — количество фотодырок, V — объем слоя поглощения фотонов, N — количество падающих фотонов, п — квантовая эффективность, hv — энергия кванта излучения.

Учтем также, что не все излучение лазера с измеренной энергией Е падает на поверхность активной области S-диода, т.е. Еп = КЕ. Коэффициент К << 1 и определяется соотношением площади проекции о.п.з. на поверхность, нормальную к лазерному лучу, и площади сечения лазерного луча. При диаметре сечения луча 1 мм, диаметре мезы 300 мкм и ширине о.п.з. 13 мкм коэффициент К« 5 • 10-3.

С учетом вышеизложенного окончательное выражение для анализа экспериментальных зависимостей можно получить из формул (3) и (2):

t-\E) = a pVS ^E + const = yE + const. (4) Vhv

Из выражения (4) следует, что в координатах

tз-1, Е зависимость будет иметь линейный вид с тангенсом угла наклона у. Используя известные значения an « 10-15 с

Vs = 107 ем/е [5, 6], « 15.32 • 103 мкм3 (толщина елоя поглощения при hv = 1.59 эВ составляет «2.5 мкм [7]), можно рассчитать тангенс угла, который равен у « 1.28 х х 1016п (Дж • с)-1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что экспериментально полученные зависимости времени задержки от энергии лазерного излучения спрямляются в координатах

гз-1, Е. При этом снижение энергии в 5 раз приводит к уменьшению времени задержки в 4 раза. Анализ результатов показал, что задержка переключения лавинных 8-диодов в схеме с импульсным оптическим запуском обусловлена процессом перезарядки глубоких центров хрома в области пространственного заряда.

Работа выполнена в рамках проектов ФЦП "Кадры" (ГК № 16.740.11.0231, ГК № 02.740.11.0164) и РФФИ (грант № 07-02-00314).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пикосекундная импульсная техника / Под ред.

B.Н. Илюшенко. М.: Энергоатомиздат, 1993.

2. Каримбаев Д.Д., Корецкий А.В., Павлов Ю.Д. и др. // Электрон. пром-сть. 1993. № 9. С. 62.

3. Прудаев И.А., Хлудков С.С., Скакунов М.С., Толба-нов О.П.// ПТЭ. 2010. № 4. С. 68.

4. Белобородов П.Ю., Толбанов О.П., Хлудков С.С. // ФТП. 1988. Т. 22. № 4. С. 755.

5. Зи С.М. Физика

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»