摘 要： 分析了延遲擊穿二極管（DBD,delayedbreakdowndiode）的物理機理。從該器件在負載上的輸出脈沖幅度及上升時間兩方面綜合考慮，通過改變器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和物理參數(shù)（長度、面積、摻雜濃度、激勵源等），模擬研究了不同激勵源及不同負載情況下DBD特性的變化情況。結(jié)果表明：上升時間對于面積和負載電阻均存在極小值，設(shè)計時面積和負載電阻應(yīng)該選取該極值點對應(yīng)的值。n區(qū)長度存在值，理論上應(yīng)為器件加載在所需臨界擊穿電壓值而且剛好處于穿通狀態(tài)時的長度值；p+ 區(qū)和n+ 區(qū)的長度沒有太大的影響，但應(yīng)稍大于各自的穿通長度，濃度則盡量高；n區(qū)摻雜濃度越低越好，對激勵源要求電流稍高于臨界條件即可。

　　隨著現(xiàn)代超寬帶（UWB）系統(tǒng)的發(fā)展，短脈沖功率發(fā)生器在高壓脈沖功率和脈沖電暈等離子體技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。對任何短脈沖功率發(fā)生器來說，超快脈沖開關(guān)都是部件，也是其性能好壞的關(guān)鍵因素。

　　這些開關(guān)應(yīng)具有納秒、亞納秒開關(guān)能力，高重復率、高效率以及高開關(guān)時間穩(wěn)定性（低抖動）等特點。常用的火花隙開關(guān)具有低損耗、高控制電壓能力以及大開關(guān)電流等優(yōu)點，但其電極壽命很短，脈沖重復率低且多開關(guān)同步系統(tǒng)很復雜。激光控制的光導開關(guān)抖動低，但壽命有限，且價格昂貴。

　　Grekhov等人基于半導體pn結(jié)在高偏壓下的新效應(yīng)設(shè)計了兩類元件，較好地滿足了上述超快脈沖功率開關(guān)的需求。類是基于pn結(jié)在高偏壓下的超快電壓恢復效應(yīng)而設(shè)計的短路開關(guān)器件DSRD（driftsteprecoverydevices），該器件在功率放大器中用作開關(guān)元件（SOS,semiconductoropeningswitch），利用該開關(guān)元件設(shè)計的固態(tài)調(diào)制器可產(chǎn)生脈沖長度3~8ns,脈沖功率50MW~1GW 級，電壓50kV~1MV,脈沖重復頻率達幾kHz的脈沖。第二類器件為DBD,或者是SAS（siliconavalancheshaper），是基于半導體PN結(jié)超快可逆延遲擊穿效應(yīng)而設(shè)計的，它被認為是過壓火花隙開關(guān)的替代。采用這類器件的調(diào)制器是基于附加的脈沖峰化作用，SOS在DBD兩端產(chǎn)生一個電壓上升率極大的負電壓，在這種電壓源激勵下，電流將在不到1ns的時間內(nèi)通過DBD切換到負載。該類調(diào)制器能產(chǎn)生幅值幾百kV,上升時間小于1ns,峰值功率達1GW,長度1~2ns的脈沖。

　　在超高功率短脈沖研究方面，俄羅斯電物所開展了大量的研究工作[3],美國空軍武器研究實驗室等也開展了這方面的工作。國內(nèi)西北核技術(shù)研究所和中科院電工所也有相關(guān)的工作[6].本文從器件物理角度出發(fā)，對DBD進行了器件結(jié)構(gòu)建模和仿真，獲得了DBD參數(shù)的確定方法，并提出了輸出脈沖上升時間對負載和器件面積均存在極小值的觀點。

　　1 延遲擊穿開關(guān)物理機制

　　半導體二極管延遲擊穿效應(yīng)由I.V.Grekhov等人發(fā)現(xiàn)。當某種結(jié)構(gòu)（如p⁺nn⁺）的硅二極管兩端快速加壓到超過靜態(tài)擊穿電壓時，器件在快速擊穿前有幾ns的延遲。當雪崩電離波以快于載流子飽和漂移的速度掃過本征材料區(qū)時，就會發(fā)生ps級擊穿，工作原理簡述如下。

　　對圖1所示的半導體（硅材料）pn結(jié)二極管，其p+n結(jié)的靜態(tài)擊穿電壓為：

（1）

　　式中：Ec為碰撞電離的臨界電場強度；NA為p⁺ 區(qū)摻雜濃度，NA=10¹⁹cm^-3;ND為n區(qū)摻雜濃度，ND=10¹⁴cm^-3;ε為材料介電常數(shù)；q為電子電荷。

　　通過求解泊松方程，可以得到在常幅度電流密度J0反向施加于上述二極管時空間電荷區(qū)（SCR,space-chargeregion）中電場強度隨時間的變化。SCR中時變電場值與臨界擊穿場強Ec值相交叉的點隨時間向nn⁺ 結(jié)移動。通過簡單的分析可以得到，當電流密度J0為常數(shù)時，該交叉點的移動速度：

　　（3）式表明：有可能產(chǎn)生一個速度比飽和漂移速度更快的雪崩電離波前，且可以把該波前看成是通過n區(qū)傳播的電離波，并由此產(chǎn)生高電導的電子空穴等離子體。如果驅(qū)動二極管的電流足夠大，以致電場增大的速度高于由于電離碰撞引起的載流子產(chǎn)生所導致的電場減小的速度，那么在SCR中就會產(chǎn)生E>Ec的區(qū)域，從而導致延遲擊穿效應(yīng)。

　　從前面所述的延遲擊穿開關(guān)物理機制可看出，產(chǎn)生延遲擊穿雪崩電離波的必要條件是：

　　式中：vs是載流子飽和漂移速度。

　　從（1）式可以看到，器件n區(qū)的摻雜濃度取決于所需雪崩擊穿電壓值VBR,對脈沖功率技術(shù)應(yīng)用來說，VBR越大越好，所以ND越低越好。如果取ND=10¹⁴cm^-3,vs=1.0×10⁷cm/s,可得Jmin=160A/cm²,所以要求外加反偏電壓所產(chǎn)生的電流密度至少大于160A/cm².我們知道，在雪崩擊穿前，SCR中只有位移電流，對于具有常值dV/dt的外加脈沖來說，它在SCR區(qū)中產(chǎn)生的位移電流：

　　式中：VA是加于二極管的電壓；Vbi為內(nèi)建電勢（一般為0.5~0.8V）。對圖1所示器件，若dVA/dt≥4kV/ns,VA=4kV（代入公式（5）時取負值，因為其正極加在n端，見圖1），利用公式（5）可算得Jd=183A/cm2,滿足發(fā)生雪崩的必要條件式（4）。

　　2 DBD器件仿真結(jié)果及分析

　　本文通過求解一組耦合、剛性、非線性方程組，并根據(jù)實際情況選擇相關(guān)物理模型（遷移率、產(chǎn)生復合等），獲得關(guān)鍵半導體器件的宏觀行為。重點對具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和物理參數(shù)的DBD器件在不同激勵源下的延遲擊穿效應(yīng)進行了仿真，研究了不同參數(shù)對延遲擊穿半導體開關(guān)二極管開關(guān)特性（上升時間、脈沖寬度）的影響。仿真的器件結(jié)構(gòu)和簡化電路模型如圖1所示，器件面積為0.01cm²,p+ 區(qū)摻雜濃度NA=10¹⁹cm^-3,n+ 區(qū)摻雜濃度ND=10¹⁹cm^-3,負載R=50Ω。激勵源具有常dV/dt上升沿的波，如圖2所示，幅度為2.3kV,選擇該波形是便于理論分析。

圖1 延遲擊穿二極管結(jié)構(gòu)和模擬簡化電路

　　圖2中帶三角符號的實線表示峰值為2.3kV的輸入驅(qū)動脈沖，剛開始有一個小的前脈沖，然后有一個小的上升，是較快的上升，上升沿時間為300ps.另一條曲線表示50Ω負載的電壓，即銳化后的輸出脈沖，從470V到峰值2.18kV處上升時間為90ps.可見DBD器件能有效地阻止前脈沖和慢的上升，在峰值電壓處擊穿（關(guān)閉）很快。

圖2 典型輸入電壓和輸出電壓波形

　　圖3和圖4分別表示DBD輸出與其橫截面積及負載電阻的關(guān)系。Focia等人認為，器件面積依賴于所需的功率控制能力，對輸出負載卻沒有提到。從仿真結(jié)果看，并不完全是這樣。從圖3、圖4可以看出，在一定面積或負載電阻R 范圍內(nèi)，輸出電壓幅度幾乎不變，上升時間則差不多單調(diào)上升；在該范圍低端，當面積或負載電阻減小時輸出幅度單調(diào)下降，但上升時間卻存在極小值。這是因為在上述范圍內(nèi)，截面積增加，則通過負載的電流增加，從而輸出幅度變大，但加在負載上的電壓的增加必然導致DBD兩端電位的下降，從而使雪崩電流減少，進而導致輸出電壓減小，綜合結(jié)果是輸出幅度幾乎不變，這可以認為類似于負反饋情形。上升時間方面，隨著R 或面積的增加，DBD兩端電壓的加載速率dV/dt下降，因而上升時間增加。在上述范圍內(nèi)，負載電阻改變時情形也一樣。在上述范圍以外，當面積減小時，由于雪崩產(chǎn)生的等離子體數(shù)量有限，雪崩電流減小，因而輸出幅度減小；R 減小時，電路中電流增加，DBD電壓下降，導致輸出幅度減小。上升時間方面，情況比較復雜，不同R 時輸入電壓DBD端電壓波形如圖5所示，從圖5可以看出，R 兩端的電壓上升時間決定于DBD端電壓的下降時間。隨著R 的減小，從圖4可以得到，DBD端電壓下降時間（即R 兩端的電壓上升時間）在R=40Ω處存在極值。因為，隨著R 的進一步減小，處于雪崩狀態(tài)的DBD電阻相對變大，這樣DBD上的壓降值（對應(yīng)于R 上的值）增大，因此下降變化率減小，上升時間反而增加，故上升時間在R=40Ω處出現(xiàn)極值。面積減小時的情形也很類似。

圖3 電壓峰值及上升時間與其橫截面積的關(guān)系

圖4 電壓峰值及上升時間與負載電阻的關(guān)系

圖5 輸入電壓及不同負載時的DBD端電壓波形

　　圖6表示DBD輸出隨n區(qū)長度的變化。從結(jié)果看，輸出電壓峰值對n區(qū)長度變化存在極大值，而上升時間對n區(qū)長度變化也存在極小值，且這兩個極值所對應(yīng)的n區(qū)長度差不多。該值約等于器件在臨界擊穿時其SCR區(qū)（正好處于穿通狀態(tài)時）的長度值。長度低于該值，則臨界擊穿電壓下降，輸出峰值降低，上升時間增加；長度大于該值，則雪崩區(qū)域增大，漂移時間增加，達到峰值所需時間增加，輸出幅度下降。

圖6 電壓峰值及上升時間隨n區(qū)長度的變化

　　圖7表示DBD輸出隨激勵源dVA/dt變化的情況，可以看出，當dVA/dt小于由式（4）和式（5）所確定的臨界值（對圖1所示的器件），則輸出電壓為其靜態(tài)擊穿值，上升時間為輸入信號上升時間；當dVA/dt超過其發(fā)生延遲擊穿的臨界值后，輸出幅度急劇增加，上升時間急劇減小，但變化很快趨于平緩。這是因為隨著dVA/dt的增加，雪崩擊穿電流增加，這樣加在負載電阻上的電壓增加，從而加在DBD兩端的電壓下降，這必然導致雪崩電離率下降而致使電流下降，二者綜合結(jié)果便會出現(xiàn)平衡的結(jié)局，所以并不是dVA/dt越大越好。

圖7電壓峰值及上升時間隨激勵源dVA/dt的變化

　　3 結(jié) 論

　　從DBD作為半導體開關(guān)器件在負載上的輸出脈沖幅度及上升時間兩方面綜合考慮，器件面積、負載電阻、n區(qū)長度及其摻雜以及激勵源等因素，均對DBD器件性能有很大的影響。上升時間對于面積和負載電阻均存在極小值，由于上升時間是關(guān)鍵指標之一，因此進行面積和負載電阻設(shè)計時應(yīng)該選取該極值點，由于延遲擊穿過程具有強烈的非線性，該極值點只能由仿真獲得。其他方面，n區(qū)長度存在值，理論上應(yīng)為器件加載在所需臨界擊穿電壓值而剛好處于穿通狀態(tài)的長度值，當然以仿真結(jié)果為準；n區(qū)濃度越低越好，因為濃度越低，擊穿電壓越高。輸出激勵源應(yīng)適當高于滿足式（4）所需的dVA/dt值，但不是越高越好，因為dVA/dt越高對前級的要求越高，然而產(chǎn)生的效果卻沒有多大變化。至于p+ 區(qū)和n+ 區(qū)的長度，沒有太大的影響，當然應(yīng)大于其各自的穿通長度，濃度則盡量高。