Генерирование мощных наносекундных импульсов на основе полупроводниковых прерывателей тока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

/

' /

российская академия наук

уральское отделение институт электрофизики

На правах рукописи

РУКИН Сергей Николаевич

генерирование мощных наносекундных импульсов на основе полупроводниковых прерывателей тока

Специальность: 01.04.13 - Электрофизика

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург - 1998

содержание

общая характеристика работы ....................................................................................................4

основное содержание работы ......................................................................................................9

введение..........................................................................................................................................................................................10

1. физические основы работы мощных полупроводниковых прерывателей тока....................................................................................................11

1.1. Наносекундный обрыв тока в полупроводниках..............................................................11

1.2. Обнаружение и экспериментальное исследование БОЭ-эффекта ... 14

1.3. Динамика электронно-дырочной плазмы в полупроводниковой структуре в режиме БОё-эффекта......................................................................................................17

2. генераторы маркса с полупроводниковым прерывателем тока..........................................................................................................................................................................21

2.1. Схемы накачки и выбор параметров прерывателя тока......................................21

2.2. Генераторы с промышленными полупроводниковыми диодами............25

3. генераторы с твердотельной системой коммутации ... 30

3.1. Блок-схема генераторов....................................................................................................................................30

3.2. Звено магнитной компрессии энергии и его согласование с прерывателем тока....................................................................................................................................................31

3.3. Установки с твердотельной системой коммутации....................................................33

3.4. Сравнительный анализ предложенного подхода..........................................................40

4. боэ-диоды: новые приборы для наносекундного обрыва тока в мощных импульсных системах............................43

4.1. Разработка БОв-диодов......................................................................................................................43

4.2. Характеристики ЗОЭ-диодов......................................................................................................................49

5. импульсные генераторы на основе 808-ди0д0в........................53

5.1. Малогабаритные частотные генераторы....................................................................................53

5.2. Генератор с напряжением 1 МВ и средней мощностью 30 кВт..............59

5.3. Генератор с субнаносекундным временем обрыва тока

в БОБ-диоде..........................................................................................................................................................................61

заключение..............................................................................................................................................................................65

литература..................................................................................................................................................................................68

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Мощная наносекундная импульсная техника, получившая становление в 60-е годы, традиционно имеет два основных направления своего развития. Первое направление состоит в поиске путей увеличения импульсной мощности и создании установок с максимально возможными величинами импульсного тока и напряжения. Установки этого направления представляют собой уникальные сооружения с рекордно высокими параметрами по импульсной мощности и используются в различных исследовательских программах по инерциальному термоядерному синтезу, получению мощных импульсов лазерного, рентгеновского, нейтронного излучения и т.д. Такие требования к импульсным устройствам, как высокая средняя мощность, частота следования импульсов, срок службы, компактность здесь не являются определяющими.

Второе направление, получившее наиболее интенсивное развитие в последнее десятилетие, связано с технологическим применением мощных наносекундных импульсов. В первую очередь это относится к решению экологических задач по очистке выбросов электрических и тепловых станций, обработке отходов медицины и вредных производств, очистке питьевой воды, стерилизации продукции, а также к созданию новых радиационных технологий. Основой наносекундной импульсной техники в обоих направлениях является генератор мощных импульсов тока и напряжения, энергия которых используется либо непосредственно, либо переводится в энергию соответствующих видов излучения. Для технологических применений наиболее важными характеристиками генераторов становятся высокая частота повторения импульсов и средняя мощность, компактность, надежность в сочетании с ресурсом непрерывной работы в несколько лет. Требуемый для этих целей уровень средней мощности лежит в диапазоне 10 - 1000 кВт при относительно невысоких значениях импульсной мощности 108 - Ю10 Вт, а ресурс установок, предназначенных для промышленного применения, составляет 1010 - 1011 импульсов, что может быть достигнуто разработкой новых систем коммутации энергии с использованием только твердотельных элементов.

Основным процессом в области мощной наносекундной импульсной техники выступает процесс коммутации энергии, и именно успехи в исследовании и разработке новых принципов сильноточной наносекундной коммутации определяют развитие всей области. В связи с этим разработка импульсных наносекундных устройств на основе новых принципов коммутации энергии, позволяющих расширить диапазон частоты следования импульсов

и средней мощности, а также увеличить ресурс и надежность работы, является актуальной научно-технической задачей.

Целями диссертационной работы являлись:

• исследование эффекта наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниковых диодах;

• разработка новых сильноточных наносекундных прерывателей тока для мощных импульсных генераторов частотного режима работы;

• разработка схемного подхода для построения мощных наносекундных генераторов с твердотельной системой коммутации энергии на основе полупроводниковых прерывателей тока;

• создание мощных компактных генераторов наносекундного диапазона с высокой частотой повторения импульсов для научных и практических целей.

Научная новизна

Основные результаты работы относятся к категории полученных впервые. Наиболее важные из них:

1. Обнаружен и экспериментально исследован БОБ-эффект: наносекунд-ный обрыв сверхплотных токов в полупроводниках. Показано, что эффект наблюдается в р+- р - п - п+ -структурах при времени накачки порядка Ю-8 - Ю-6 с и плотности обратного тока 1 - 60 кА/см2. Время обрыва тока при этих условиях лежит в диапазоне от единиц до десятков наносекунд.

2. Установлено, что качественное отличие ЗОБ-эффекта от других принципов коммутации тока в полупроводниковых приборах состоит в том, что развитие процесса обрыва тока происходит не в базе структуры, а в ее узких высоколегированных областях. При этом база структуры во время обрыва тока остается заполненной плотной избыточной плазмой.

3. Показано, что при ЗОБ-эффекте на стадии обрыва тока существует механизм автоматического равномерного распределения напряжения по последовательно соединенным полупроводниковым структурам. Впервые реализован наносекундный сильноточный генератор, полупроводниковый прерыватель которого состоит из 1200 штук последовательно соединенных структур и работает при напряжении 1 МВ.

4. Экспериментально обнаружен субнаносекундный обрыв тока в р+- р - п - п+ -структуре. Показано, что при уменьшении времени обратной накачки с 30 до 10 не время обрыва тока уменьшается с 4 - 5 не до 500 пс.

5. Предложен и реализован способ увеличения импульсной мощности емкостных генераторов Маркса с помощью полупроводникового прерывателя тока на основе высоковольтных выпрямительных диодов. Впервые \ в полупроводниковом прерывателе тока достигнута разрывная мощность 5 ГВт, обрываемый ток 45 кА и скорость обрыва тока 1012 А/с.

6. Разработан новый схемный подход для построения мощных наносе-кундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации энергии, в котором функцию оконечного усилителя импульсной мощности выполняет полупроводниковый прерыватель тока.

7. Созданы высоковольтные полупроводниковые приборы нового класса -SOS-диоды, представляющие собой твердотельные наносекундные прерыватели тока высокой плотности и имеющие рабочее напряжение в сотни кВ, обрываемый ток - единицы и десятки кА, время обрыва тока - единицы наносекунд и частоту следования импульсов килогерцового диапазона.

8. Разработан субнаносекундный SOS-диод с рекордным значением ско- \ рости обрыва плотности тока, составляющей 6-1012 А/см2 с. Впервые I полупроводниковым прерывателем тока сформированы импульсы с амплитудой 150 кВ, скоростью нарастания напряжения 1014 В/с, длительностью 2 не и частотой следования 5 кГц при обрыве тока величиной 1 кА за время 500 пс.

Положения, выносимые на защиту

1. SOS-эффект - наносекундный обрыв сверхплотных токов в полупроводниках - наблюдается в р+- р - п - п+ кремниевых структурах при времени накачки порядка Ю-8 - 10"6 с и плотности обратного тока 1 - 60 кА/см2 и представляет собой качественно новый принцип отключения ^ тока в полупроводниковых приборах с токовой инжекцией заряда.

2. На стадии обрыва тока SOS-эффект характеризуется автоматическим равномерным распределением напряжения по последовательно соединенным структурам, что дает возможность создавать прерыватели тока с напряжением мегавольтного уровня путем последовательного соединения структур без использования внешних делителей напряжения.

3. Применение высоковольтных выпрямительных диодов в качестве полупроводникового прерывателя тока позволяет увеличить импульсную мощность емкостных генераторов Маркса. Такой прерыватель тока характеризуется разрывной мощностью гигаваттного диапазона, обрываемым током в десятки кА, скоростью обрыва тока порядка 1012 А/с и рабочим напряжением в сотни кВ.

4. Для создания мощных наносекундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации энергии преимуществами обладает подход, в котором используется полупроводниковый прерыватель тока, выполняющий функцию оконечного усилителя мощности. Такой подход исключает необходимость применения звеньев магнитного сжатия энергии наносекундного диапазона времени, упрощает устройство и повышает его удельные характеристики.

5. Разработанные ЭОЭ-диоды, представляющие собой твердотельные на-носекундные прерыватели тока высокой плотности, имеют рабочее напряжение в сотни кВ, обрываемый ток - единицы и десятки кА, время обрыва тока - единицы наносекунд, частоту следования импульсов ки-логерцового диапазона, и для увеличения мощности допускают параллельно-последовательное соединение без применения выравнивающих элементов.

6. На базе БОБ-диодов возможна разработка наносекундных импульсных генераторов с твердотельной системой коммутации со следующим диапазоном выходных параметров: энергия импульса - 10~1 - 104 Дж; напряжение - 104 - 106 В; ток - 102 - 105 А; длительность импульса - 10" 7 - 10"9 с; частота следования импульсов - 10"1 - 104 Гц; средняя мощность - 101 - 105 Вт.

7. Уменьшение времени обратной накачки до 10 - 15 не при плотности обратного тока 103 - 104 А/см2 приводит к субнаносекундному обрыву тока в ЗОЭ-диоде. Время обрыва тока величиной 1 кА составляет 500 пс, а на БОЗ-диоде формируется импульс длительностью 2 не со скоростью нарастания напряжения 1014 В/с.

Практическая ценность работы определена созданием мощных наносекундных импульсных устройств нового класса на основе полупроводниковых прерывателей тока. Разработанные устройства имеют полностью твердотельную систему коммутации энергии, в связи с чем сочетают высокую частоту следования импульсов и среднюю мощность, компактность, надежность и имеют практически неограниченный срок службы. Именно эти качества позволяют устройствам данного класса получить широкое практическое применение в различных электрофизических промышленных технологиях.

Реализация результатов работы

Мощные наносекундные генераторы с полупроводниковым прерывателем тока применялись при проведении прикладных исследований в раз-

личных областях электрофизики: для генерирования сильноточных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения, исследования электрофизических свойств полупроводников и диэлектриков, накачки газовых лазеров, ионизации воздуха стримерным коронным разрядом для удаления токсичных примесей, а также в качестве источников питания широкополосных электромагнитных излучателей. Ниже перечислены российские и зарубежные организации, использующие результаты диссертационной работы и эксплуатирующие коммерческие образцы разработанных устройств и приборов:

1. Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург

2. Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск

3. Всероссийский НИИ технической физики, Снежинск (Челябинск-70)

4. Компания British Aerospace Defence, Ltd., Бристоль, Великобритания

5. Ливерморская национальная лаборатория, Ливермор, США

6. Компания Vitronics, Inc., Итэнтаун, США

7. Исследовательский центр Карлсруэ, Карлсруэ, Германия

8. Техасский технический университет, Лаббок, США

9. Военно-морская исследовательская лаборатория, Вашингтон, США

10. Компания LG Industrial Systems, Ltd., Аниянг, Южная Корея

11. Ядерный исследовательский центр SOREQ NRC, Йавне, Израиль

12. Университет Кумамото, Кумамото, Япония

Апробация работы и публикации

Материалы работы докладывались на научных семинарах в Институте электрофизики УрО РАН, Екатеринбург; Институте сильноточной электроники СО РАН, Томск; Институте общей физики РАН, Москва; на семинарах зарубежных организаций: Ливерморской национальной лаборатории им. Ло-уренса, Ливермор, США; фирмы Бритиш Аэроспэйс, Бристоль, Великобритания; Техасского технического университета, Лаббок, США; компании LG Индастриал Системз, Аниянг, Корея, а также на национальных и международных конференциях: VII, VIII, IX Симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, 1988; Свердловск, 1990; Пермь-Москва, 1992); Научно-технической конференции "Создание комплексов электротехнического оборудования сильноточной техники", Москва, 1989; IX, X, XI Международных конференциях по мощным пучкам частиц (США, 1992, 1994 и Чешская Республика, 1996); Международной конференции общества SPIE (США, 1995); IX, X, XI Международных конференциях по мощной импульсной технике (США, 1993, 1995, 1997).

Материалы диссертации опубликованы в 37 печатных работах. По материалам работы получено 5 авторских свидетельств на изобретения и 5 патентов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти частей и заключения. В первой части рассмотрены физические основы работы мощных полупроводниковых прерывателей тока. Приведены результаты исследований ЗОЭ-эффекта. Свойства вОБ-эффекта анализируются в сравнении с другими механизмами коммутации тока в полупроводниках. Во второй части рассмотрены вопросы обострения мощности емкостных генераторов с помощью индуктивного накопителя и полупроводникового прерывателя тока на основе промышленных выпрямительных диодов. Третья часть посвящена описанию схемных решений по построению сильноточных наносекундных устройств с полностью твердотельной системой коммутации, в которой полупроводниковый прерыватель тока выполняет функцию оконечного усилителя мощности. Предложенный подход анализируется в сравнении с известными схемными решениями на основе магнитных ключей. В четвертой части приведены результаты разработки ЗОЭ-диодов - новых высоковольтных приборов для наносекундного обрыва тока высокой плотности. Описаны характеристики ЗОЭ-диодов и даны рекомендации по их использованию в мощной импульсной технике. В пятой части дано описание частотных импульсных генераторов на основе ЗОЗ-диодов и приведены результаты экспериментов по субнаносекундному обрыву тока. В заключении приведены основные результаты, полученные в работе, и список литературы.

ВВЕДЕНИЕ

Для генерирования мощных наносекундных импульсов наиболее широко распространены два основных подхода, отличающиеся друг от друга способом накопления энергии. Первый способ основан на накоплении энергии электрического поля в быстрых емкостных накопителях, в качестве которых используются низкоиндуктивные конденсаторы и формирующие линии с жидким диэлектриком, с последующей передачей энергии в нагрузку через замыкающие устройства - сильноточные наносекундные коммутаторы [1, 2]. Во втором способе накопление энергии происходит в магнитном поле индуктивного контура с током, а для ее передачи в нагрузку применяются прерыватели тока [3]. Последний метод наиболее перспективен для развития мощной импульсной техники, поскольку плотность запасаемой энергии в индуктивных накопителях примерно на два порядка выше, чем в емкостных. С другой стороны, проблема быстрого обрыва большого импульсного тока в техническом план�