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随着高功率微波（HPM）技术的发展，小型化、阵列化、长寿命的HPM源是未来发展的主流方向。目前HPM源的工作频率、抖动和寿命主要受限于脉冲功率源的能力，传统的采用火花隙开关的脉冲功率源存在气体恢复和电极烧蚀等问题，很难满足未来HPM源发展需求，因此发展高重频、低抖动、长寿命的开关技术是目前亟待解决的问题[1]。20世纪80年代初俄罗斯科学家提出了一种新的开关导通机理−超快碰撞电离波理论，并在此基础上研制出快速离化开关（FID）。由于具有功率容量大、重复频率高高、抖动小和长时间稳定运行等特点[2-4]，FID逐渐成为脉冲功率技术研究的热点。目前，德国FID公司研制的FID高压系列固态源已经可以部分满足HPM技术的需求。
为了实现FID工作在离化波导通状态，需要外加一个电压上升速率约1 kV/ns的触发脉冲，考虑到对重频和前沿的要求，基于漂移阶跃恢复二极管（DSRD）的快速触发电路是一个理想的选择[5]。DSRD是一种半导体断路开关，通过pn结中载流子的注入和抽取可实现快前沿的高压脉冲输出，其典型的工作电压为500～2 000 V，关断时间可达百ps级[6]，并且多个DSRD开关串联运行关断时间基本不变，从而可以进一步提高输出电压和电压上升速率。
自DSRD问世以来俄罗斯的Ioffe研究所开展了大量的研究工作，他们在开关器件和脉冲源的研制方面取得了显著的成果[7-8]，基于DSRD的脉冲发生器具有前沿数ns、电压数十kV及重频数MHz的脉冲输出能力，并随着宽禁带半导体的应用具有显著的上升空间[9]。国内在DSRD方面的研究尚属起步阶段，主要由中电十三所、西北核技术研究所、华中科技大学、中国工程物理研究院等单位开展了相关方面的研究[10-13]。本文主要介绍了DSRD的基本工作原理，分析了器件结构对开关特性的影响，验证了DSRD实现快前沿脉冲电压输出的能力，为FID的研究提供技术支持。
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与普通二极管结构相似，DSRD具有pin结构，通过对pn结注入抽取过程的详细分析，可以研究器件结构参数对开关特性的影响。如图1所示，在正向注入过程中掺杂浓度为Nd的n基区可划分为两部分，一个是pn结附的高浓度等离子体扩散区域，另一部分是扩散区与n+层之间的准中性区域。
图 1 DSRD内部载流子变化
Figure 1. Sketches of electric field and plasma concentration profiles during the opening process
设Wd为扩散区的宽度，有
$${W_{\rm{d}}} \approx \sqrt {D{\tau _ + }} $$ (1) 式中：D为空穴的双极扩散系数；τ+为正向注入电流时间。部分注入的空穴以漂移波的形式进入到准中性区，漂移波波速为
$${v_{\rm{f}}} \approx {j_ + }/q{N_{\rm{d}}}$$ (2) 式中：j+为正向电流密度；q为元电荷电量。如图1中t1时刻所示，与扩散区相比，漂移波中的等离子体浓度要低几个量级。
当电流反向时（t2时刻），DSRD开始抽取过程，此时pn结附近的扩散区出现反向的浓度梯度，同时漂移波的运动方向与注入过程相反，漂移区宽度减小。当pn结处的电子浓度为零时空间电荷区（SCR）出现（t3时刻），该区域以速度vSCR与漂移区相向而行。由于SCR的出现，使得器件电压UD逐渐增加，电压变化率与SCR的参数有以下关系
$${\rm{d}}{U_{\rm{D}}}{\rm{/d}}t \approx \frac{{q{N_{{\rm{SCR}}}}{W_{{\rm{SCR}}}}{v_{{\rm{SCR}}}}}}{\varepsilon }={E_{\rm{m}}}{v_{{\rm{SCR}}}}$$ (3) 式中：NSCR为SCR内的电荷密度，主要包含施主杂质浓度Nd和从扩散区抽取的空穴Np两部分；WSCR为SCR宽度；ɛ为基区材料的介电常数；Em为SCR的最大电场强度。
由于扩散区浓度高，SCR的扩散速度较慢，所以此时器件两端电压增加较慢，当SCR与相向运动的漂移区波头相遇时DSRD所储存的等离子体被全部抽尽，高浓度的扩散区消失（t4时刻），此时反相电流密度j-达到峰值，由于n基区内不存在非平衡载流子，根据式（4）SCR的扩展速度明显加快，导致器件两端的电压及电压增长率迅速增加，与此同时DSRD中的反向电流快速转向负载，并形成一个快前沿的脉冲电压。
$$ {v_{{\rm{SCR}}}} \approx {j_ - }/q{N_{\rm{d}}} $$ (4) DSRD的最大关断时间τoff定义为注入等离子体抽尽（t4）到pn结电场达到击穿阈值Ea的时间，如公式（5）所示，其中Wm是器件击穿时SCR宽度。由公式可知击穿阈值越高或掺杂浓度越低，关断时间越长，输出脉冲前沿越长，例如掺杂浓度为1014 cm−3的硅基器件的关断时间约为1 ns。
$${\tau _{{\rm{off}}}} \approx \frac{{{W_{\rm{m}}}}}{{{v_{\rm{s}}}}}=\frac{{\varepsilon {E_{\rm{a}}}}}{{q{N_{\rm{d}}}{v_{\rm{s}}}}}$$ (5) 公式（6）是DSRD最大工作电压与器件参数的关系，可见提高击穿阈值或降低基区掺杂浓度可以明显提高器件的最大工作电压，但是正如公式（5）所示，器件的关断时间也会增加，考虑到最大电压与阈值电场的平方关系，高击穿阈值的半导体材料是实现高压快速关断DSRD器件的首选。
$${U_{{\rm{max}}}}=\frac{{\varepsilon {E_{\rm{a}}}^2}}{{2q{N_{\rm{d}}}}}$$ (6) DSRD关断时电流全部流向负载，根据反相电流密度的上限
${j_ - } $ ＝js和器件的面积A，可以得到器件最大切断电流Imax为$${I_{{\rm{max}}}} \approx {j_{\rm{s}}}A$$ (7) 为了避免趋肤效应的影响，保证电流分布的均匀性，单个器件的半径R应该满足以下关系
$$\frac{{{v_{\rm{s}}}\sqrt {{\varepsilon _{\rm{r}}}} }}{c} < \frac{{{W_{\rm{m}}}}}{{2R}}$$ (8) 其中c为真空中电磁波传播速度，根据公式（5）～（8）得到的最大切断电流为
$${I_{{\rm{max}}}} \approx \frac{{{\varepsilon _{\rm{0}}}{\text{π}}{E_{\rm{m}}}{\tau _{{\rm{off}}}}{c^2}}}{4}$$ (9) 对于硅器件来说，当切断时间为1 ns时最大切断电流可大于10 kA。
为了实现快前沿的输出脉冲，在反向抽取过程中需要SCR以饱和漂移速度vs运动，随着SCR的展宽，pn结的最大电场强度增加，由公式（3）可知器件两端电压上升速率增加，为了器件不发生雪崩击穿pn结处最大电场强度不能超过击穿阈值Ea，对于硅来说Ea＝2×105 V/cm。考虑到硅中电子饱和漂移速度为107 cm/s，根据公式（3）可得硅基DSRD最大电压增长率为2 kV/ns，满足FID对触发电压的要求（dU/dt～1 kV/ns）。从公式（3）也可以看出采用击穿阈值高的材料可以提高输出电压上升速率，例如对于SiC基DSRD，最大电压增长率可高于10 kV/ns。
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除了器件的结、材料及掺杂特性外，正反向泵浦电流参数是影响输出脉冲前沿的重要因素。如公式（1）所示，正向泵浦时间决定着扩散区的宽度，减小正向注入时间可以有效地降低预脉冲电压。不同正向泵浦时间下的输出脉冲波形如图2所示。在正向泵浦注入电荷总量不变的情况下，正向注入时间越长输出脉冲前沿越缓，当注入时间小于200 ns时，输出脉冲波形基本不变，通常正向泵浦时间在百ns量级。
图 2 不同正向泵浦时间下的输出脉冲波形
Figure 2. Output voltage under different forward current pumping time
对于反向泵浦电流来说，在反向电流上升时间不变的情况下，随着电流峰值的增加，基区中SCR的扩展速度增加直至饱和漂移速度，输出脉冲前沿变快峰值增大，但是由于准中性区电场的存在，反向电流越大准中性区的电压越高，造成输出脉冲的预脉冲电压（反向抽取t2～t4时间段器件电压）增加，如图3所示。同时由于准中性区多子的存在，较强的电场会导致弱电离的产生，从而使器件关断失败，通常选择反向电流密度的上限为js＝qNdvs。
图 3 反向电流峰值对输出脉冲的影响
Figure 3. Output voltage under different backward current amplitude
当反向电流峰值不变，随着反向泵浦电流上升时间的增加，输出脉冲前沿呈现减缓的变化趋势，如图4所示。考虑到基区准中性区电场对器件电压的影响，电流上升时间过短会导致准中性区电场过强，预脉冲电压增大；上升时间过长时，在反向电流未达到峰值时刻器件基区SCR已基本完成了快速的扩展（即负载电压的快速上升过程），随后输出电压的上升速率主要有驱动电流的前沿决定，所以为了获得较好的输出波形质量，应使反向电流在达到峰值附近时完成对注入载流子的抽取。
图 4 反向电流上升时间对输出脉冲的影响
Figure 4. Output voltage under different backward current rise time
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根据DSRD器件的物理结构设计了正反向泵浦电路，并研制了基于DSRD开关堆体的脉冲发生器，如图5所示。其中，V1为直流充电电源，Rc和R0分别为充电电阻和保护电阻，C1，L1，S1和C2组成的震荡电路为DSRD提供了正反向泵浦电流，L0为回路电感，Rload为负载。与典型的采用双级开关的DSRD驱动电路不同，本电路只采用单级开关即可实现DSRD的驱动，这样就不需要考虑正反向泵浦过程中的时间同步问题，简化了控制电路。本电路的工作原理如下：首先V1给C1充电，随后触发开关S1并使其导通，C1对DSRD放电并开启正向泵浦过程，同时正向电流对C2进行充电，通过参数调节可使C2电压最大时DSRD进入反向电流阶段，反向泵浦电流由C1，C2同时提供，其峰值约为正向电流的两倍，当DSRD内储存的等离子体全部抽尽时器件快速关断，电流快速转向负载形成脉冲电压输出。
图 5 基于DSRD的脉冲发生器电路结构
Figure 5. Circuit structure of DSRD-based pulse generator
根据设计参数进行仿真，结果见图6，其中正向泵浦电流幅值约170 A，持续时间约90 ns，反向电流在140 ns将器件中的等离子体全部抽尽，随后DSRD呈现快速阻断状态，在负载上产生快脉冲，脉冲前沿主要取决于DSRD关断速度、负载及驱动电路参数。
图 6 仿真结果
Figure 6. Simulation results
图7为实验得到的负载Rload上的电压波形，脉冲前沿约4 ns，幅值8 kV，电压上升速率约2 kV/ns，实验与仿真结果基本一致。实验测得的输出波形尾部震荡比较明显，初步分析认为可能是由于快速放电的干扰所致，与DSRD的状态无关。
图 7 负载输出电压波形
Figure 7. Output voltage waveform
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本文通过对DSRD内部物理过程的研究，阐述了器件关断时间、工作电压、切断电流等参数与DSRD结构之间的关系，分析了泵浦电流参数对输出脉冲前沿的影响。根据器件参数设计并研制了DSRD的驱动单元，该驱动电路采用单开关的串联谐振方式对DSRD进行泵浦，显著简化了前级开关的控制系统。研制了基于DSRD的脉冲发生器，在负载上实现了幅值8 kV、脉冲前沿约4 ns的脉冲输出，该输出脉冲电压上升速率约2 kV/ns，满足FID对驱动电压的要求。下一步将采用该发生器开展FID开关特性的研究工作。
Study of ultrafast semiconductor opening switch
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摘要: 介绍了快速关断半导体开关（DSRD）的工作原理，研究了开关内部的物理过程，分析了系统参数对开关输出特性的影响，研究发现：基区材料的击穿阈值越高、载流子饱和漂移速度越大输出电压上升速率越快；基区高的电场击穿阈值或低的掺杂浓度会增加器件关断时间和最大工作电压；考虑各参数的影响，基于高击穿阈值的DSRD是实现快脉冲输出的理想器件；缩短正向泵浦时间可有效抑制预脉冲，当正向泵浦时间小于200 ns时，输出脉冲波形基本不变；为了获得理想的脉冲前沿，反向电流应在达到峰值时完成对注入电荷的抽取。设计了单前级开关的DSRD泵浦电路，研制了基于DSRD的快脉冲产生系统，输出脉冲前沿约4 ns，电压约8 kV，电压上升速率约2 kV/ns，满足FID开关器件对触发电压的要求。
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关键词:
- 固态脉冲发生器 /
- 高功率半导体断路开关 /
- 快前沿脉冲 /
- 脉冲功率技术
Abstract: In this paper, the working principle of drift step recovery diode (DSRD) is introduced. The relation between the device parameters and switching characteristic is revealed by studying the physics processes inside DSRD. The analyses show that the rising rate of output pulse is proportional to the electric field breakdown threshold and saturated drift velocity of carrier. Large breakdown threshold and low doping level are benefitial to improve the maximum operation voltage, but the switching time will be increased also. In general, high breakdown threshold is necessary for DSRD with excellent performance. In addition, for the expanding of the diffusion zone over time, the pre-pulse can be reduced with short pumping time, which is obvious when forward current time is larger than 200 ns. To obtain an ideal pulse front, the injected charge should be exhausted as soon as the backward current just achieves maximum. By a simple pumping circuit, a fast pulse generator based on DSRD with the rise time of about 4 ns and the amplitude of 8 kV was designed, which can be used to trigger the fast ionization diode. -
图 1 DSRD内部载流子变化
Fig. 1 Sketches of electric field and plasma concentration profiles during the opening process
图 2 不同正向泵浦时间下的输出脉冲波形
Fig. 2 Output voltage under different forward current pumping time
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