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等領域的應用日益廣泛。對任何短脈沖功率發(fā)生器來說，超快脈沖開關都是核心部件，也是其性能好壞的關鍵因素。

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

　　Grekhov等人基于半導體PN結在高偏壓下的新效應設計了兩類元件，較好地滿足了上述超快脈沖功率開關的需求。第一類是基于pn結在高偏壓下的超快電壓恢復效應而設計的短路開關器件DSRD(driftSTeprecoverydevices)，該器件在功率放大器中用作開關元件(SOS,semicONductoropeningswitch)，利用該開關元件設計的固態(tài)調制器可產(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結超快可逆延遲擊穿效應而設計的，它被認為是過壓火花隙開關的替代。采用這類器件的調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。

　　1 延遲擊穿開關物理機制

　　半導體二極管延遲擊穿效應由I.V.Grekhov等人發(fā)現(xiàn)。當某種結構(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結二極管，其p+n結的靜態(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。

　　從前面所述的延遲擊穿開關物理機制可看出，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,對脈沖功率技術應用來說，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)。