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  • 从该器件在负载上的输出脉冲幅度及上升时间两方面综合考虑,通过改变器件结构参数和物理参数(长度、面积、掺杂浓度、激励源等),模拟研究了不同激励源及不同负载情况下DBD特性的变化情况。结果表明:上升时间对于...
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  • 从该器件在负载上的输出脉冲幅度及上升时间两方面综合考虑,通过改变器件结构参数和物理参数(长度、面积、掺杂浓度、激励源等),模拟研究了不同激励源及不同负载情况下DBD特性的变化情况。结果表明:上升时间对于...

    分析了延迟击穿二极管——L1N4148WST1G(DBD,delayedbreakdowndiode)的物理机理。从该器件在负载上的输出脉冲幅度及上升时间两方面综合考虑,通过改变器件结构参数和物理参数(长度、面积、掺杂浓度、激励源等),模拟研究了不同激励源及不同负载情况下DBD特性的变化情况。结果表明:上升时间对于面积和负载电阻均存在极小值,设计时面积和负载电阻应该选取该极值点对应的最佳值。n区长度存在最佳值,理论上应为器件加载在所需临界击穿电压值而且刚好处于穿通状态时的长度值;p+ 区和n+ 区的长度没有太大的影响,但应稍大于各自的穿通长度,浓度则尽量高;n区掺杂浓度越低越好,对激励源要求电流稍高于临界条件即可。
      随着现代超宽带(UWB)系统的发展,短脉冲功率发生器在高压脉冲功率和脉冲电晕等离子体技术等领域的应用日益广泛。对任何短脉冲功率发生器来说,超快脉冲开关都是核心部件,也是其性能好坏的关键因素。
      这些开关应具有纳秒、亚纳秒开关能力,高重复率、高效率以及高开关时间稳定性(低抖动)等特点。常用的火花隙开关具有低损耗、高控制电压能力以及大开关电流等优点,但其电极寿命很短,脉冲重复率低且多开关同步系统很复杂。激光控制的光导开关抖动低,但寿命有限,且价格昂贵。
      Grekhov等人基于半导体pn结在高偏压下的新效应设计了两类元件,较好地满足了上述超快脉冲功率开关的需求。第一类是基于pn结在高偏压下的超快电压恢复效应而设计的短路开关器件DSRD(driftsteprecoverydevices),该器件在功率放大器中用作开关元件(SOS,semiconductoropeningswitch),利用该开关元件设计的固态调制器可产生脉冲长度38ns,脉冲功率50MW1GW 级,电压50kV1MV,脉冲重复频率达几kHz的脉冲。第二类器件为DBD,或者是SAS(siliconavalancheshaper),是基于半导体PN结超快可逆延迟击穿效应而设计的,它被认为是过压火花隙开关的替代。采用这类器件的调制器是基于附加的脉冲峰化作用,SOS在DBD两端产生一个电压上升率极大的负电压,在这种电压源激励下,电流将在不到1ns的时间内通过DBD切换到负载。该类调制器能产生幅值几百kV,上升时间小于1ns,峰值功率达1GW,长度12ns的脉冲。
      在超高功率短脉冲研究方面,俄罗斯电物所开展了大量的研究工作[3],美国空军武器研究实验室等也开展了这方面的工作。国内西北核技术研究所和中科院电工所也有相关的工作[6].本文从器件物理角度出发,对DBD进行了器件结构建模和仿真,获得了DBD最佳参数的确定方法,并提出了输出脉冲上升时间对负载和器件面积均存在极小值的观点。
      1 延迟击穿开关物理机制
      半导体二极管延迟击穿效应由I.V.Grekhov等人发现。当某种结构(如p+nn+)的硅二极管两端快速加压到超过静态击穿电压时,器件在快速击穿前有几ns的延迟。当雪崩电离波以快于载流子饱和漂移的速度扫过本征材料区时,就会发生ps级击穿,工作原理简述如下。
      对图1所示的半导体(硅材料)pn结二极管,其p+n结的静态击穿电压为:
      (1)
      式中:Ec为碰撞电离的临界电场强度;NA为p+ 区掺杂浓度,NA=1019cm-3;ND为n区掺杂浓度,ND=1014cm-3;ε为材料介电常数;q为电子电荷。
      通过求解泊松方程,可以得到在常幅度电流密度J0反向施加于上述二极管时空间电荷区(SCR,space-chargeregion)中电场强度随时间的变化。SCR中时变电场值与临界击穿场强Ec值相交叉的点随时间向nn+ 结移动。通过简单的分析可以得到,当电流密度J0为常数时,该交叉点的移动速度:
      (3)式表明:有可能产生一个速度比饱和漂移速度更快的雪崩电离波前,且可以把该波前看成是通过n区传播的电离波,并由此产生高电导的电子空穴等离子体。如果驱动二极管的电流足够大,以致电场增大的速度高于由于电离碰撞引起的载流子产生所导致的电场减小的速度,那么在SCR中就会产生E>Ec的区域,从而导致延迟击穿效应。
      从前面所述的延迟击穿开关物理机制可看出,产生延迟击穿雪崩电离波的必要条件是:
      式中:vs是载流子饱和漂移速度。
      从(1)式可以看到,器件n区的掺杂浓度取决于所需雪崩击穿电压值VBR,对脉冲功率技术应用来说,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,所以要求外加反偏电压所产生的电流密度至少大于160A/cm2.我们知道,在雪崩击穿前,SCR中只有位移电流,对于具有常值dV/dt的外加脉冲来说,它在SCR区中产生的位移电流:
      式中:VA是加于二极管的电压;Vbi为内建电势(一般为0.5~0.8V)。对图1所示器件,若dVA/dt≥4kV/ns,VA=4kV(代入公式(5)时取负值,因为其正极加在n端,见图1),利用公式(5)可算得Jd=183A/cm2,满足发生雪崩的必要条件式(4)。
      2 DBD器件仿真结果及分析
      本文通过求解一组耦合、刚性、非线性方程组,并根据实际情况选择相关物理模型(迁移率、产生复合等),获得关键半导体器件的宏观行为。重点对具有不同结构参数和物理参数的DBD器件在不同激励源下的延迟击穿效应进行了仿真,研究了不同参数对延迟击穿半导体开关二极管开关特性(上升时间、脉冲宽度)的影响。仿真的器件结构和简化电路模型如图1所示,器件面积为0.01cm2,p+ 区掺杂浓度NA=1019cm-3,n+ 区掺杂浓度ND=1019cm-3,负载R=50Ω。激励源具有常dV/dt上升沿的波,如图2所示,幅度为2.3kV,选择该波形是便于理论分析。
      图1 延迟击穿二极管结构和模拟简化电路
      图1 延迟击穿二极管结构和模拟简化电路
      图2中带三角符号的实线表示峰值为2.3kV的输入驱动脉冲,刚开始有一个小的前脉冲,然后有一个小的上升,最后是较快的上升,上升沿时间为300ps.另一条曲线表示50Ω负载的电压,即锐化后的输出脉冲,从470V到峰值2.18kV处上升时间为90ps.可见DBD器件能有效地阻止前脉冲和慢的上升,在峰值电压处击穿(关闭)很快。
      图2 典型输入电压和输出电压波形
      图2 典型输入电压和输出电压波形
      图3和图4分别表示DBD输出与其横截面积及负载电阻的关系。Focia等人认为,器件面积依赖于所需的功率控制能力,对输出负载却没有提到。从仿真结果看,并不完全是这样。从图3、图4可以看出,在一定面积或负载电阻R 范围内,输出电压幅度几乎不变,上升时间则差不多单调上升;在该范围低端,当面积或负载电阻减小时输出幅度单调下降,但上升时间却存在极小值。这是因为在上述范围内,截面积增加,则通过负载的电流增加,从而输出幅度变大,但加在负载上的电压的增加必然导致DBD两端电位的下降,从而使雪崩电流减少,进而导致输出电压减小,综合结果是输出幅度几乎不变,这可以认为类似于负反馈情形。上升时间方面,随着R 或面积的增加,DBD两端电压的加载速率dV/dt下降,因而上升时间增加。在上述范围内,负载电阻改变时情形也一样。在上述范围以外,当面积减小时,由于雪崩产生的等离子体数量有限,雪崩电流减小,因而输出幅度减小;R 减小时,电路中电流增加,DBD电压下降,导致输出幅度减小。上升时间方面,情况比较复杂,不同R 时输入电压DBD端电压波形如图5所示,从图5可以看出,R 两端的电压上升时间决定于DBD端电压的下降时间。随着R 的减小,从图4可以得到,DBD端电压下降时间(即R 两端的电压上升时间)在R=40Ω处存在极值。因为,随着R 的进一步减小,处于雪崩状态的DBD电阻相对变大,这样DBD上的压降最小值(对应于R 上的最大值)增大,因此下降变化率减小,上升时间反而增加,故上升时间在R=40Ω处出现极值。面积减小时的情形也很类似。
      图3 电压峰值及上升时间与其横截面积的关系
      图3 电压峰值及上升时间与其横截面积的关系
      图4 电压峰值及上升时间与负载电阻的关系
      图4 电压峰值及上升时间与负载电阻的关系
      图5 输入电压及不同负载时的DBD端电压波形
      图5 输入电压及不同负载时的DBD端电压波形
      图6表示DBD输出随n区长度的变化。从结果看,输出电压峰值对n区长度变化存在极大值,而上升时间对n区长度变化也存在极小值,且这两个极值所对应的n区长度差不多。该值约等于器件在临界击穿时其SCR区(正好处于穿通状态时)的长度值。长度低于该值,则临界击穿电压下降,输出峰值降低,上升时间增加;长度大于该值,则雪崩区域增大,漂移时间增加,达到峰值所需时间增加,输出幅度下降。
      图6 电压峰值及上升时间随n区长度的变化
      图6 电压峰值及上升时间随n区长度的变化
      图7表示DBD输出随激励源dVA/dt变化的情况,可以看出,当dVA/dt小于由式(4)和式(5)所确定的临界值(对图1所示的器件),则输出电压为其静态击穿值,上升时间为输入信号上升时间;当dVA/dt超过其发生延迟击穿的临界值后,输出幅度急剧增加,上升时间急剧减小,但变化很快趋于平缓。这是因为随着dVA/dt的增加,雪崩击穿电流增加,这样加在负载电阻上的电压增加,从而加在DBD两端的电压下降,这必然导致雪崩电离率下降而致使电流下降,二者综合结果便会出现平衡的结局,所以并不是dVA/dt越大越好。
      图7电压峰值及上升时间随激励源dVA/dt的变化
      图7电压峰值及上升时间随激励源dVA/dt的变化
      3 结 论
      从DBD作为半导体开关器件在负载上的输出脉冲幅度及上升时间两方面综合考虑,器件面积、负载电阻、n区长度及其掺杂以及激励源等因素,均对DBD器件性能有很大的影响。上升时间对于面积和负载电阻均存在极小值,由于上升时间是关键指标之一,因此进行面积和负载电阻设计时应该选取该极值点,由于延迟击穿过程具有强烈的非线性,该极值点只能由仿真获得。其他方面,n区长度存在最佳值,理论上应为器件加载在所需临界击穿电压值而刚好处于穿通状态的长度值,当然最好以仿真结果为准;n区浓度越低越好,因为浓度越低,击穿电压越高。输出激励源应适当高于满足式(4)所需的dVA/dt值,但不是越高越好,因为dVA/dt越高对前级的要求越高,然而产生的效果却没有多大变化。至于p+ 区和n+ 区的长度,没有太大的影响,当然应大于其各自的穿通长度,浓度则尽量高。

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  • 2、熟悉开关时间的测试原理、掌握开关时间的测试方法; 3、研究测试条件变化对晶体管开关时间的影响。 二、实验原理 三、实验设备 仪器的整机框图 四、实验结果 ...

    一、实验目的和任务

    1、测量双极型晶体管的开关时间;

    2、熟悉开关时间的测试原理、掌握开关时间的测试方法;

    3、研究测试条件变化对晶体管开关时间的影响。

    二、实验原理

    三、实验设备

    仪器的整机框图

     

    四、实验结果

     

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  • 当控制脉冲宽度超过半导体光放大器的渡越时间时,即使时延量大于两倍的半导体光放大器渡越时间,峰值开关比也出现恶化.因此当控制脉冲和信号脉冲反向传播高速工作时,控制脉冲应尽可能窄,且时延量必须大于两倍的半导体...
  • 飞兆半导体公司 (Fairchild Semiconductor) 的高集成度绿色Green FPS功率开关FSFR2100能够在电信电源、高端音频放大器、大型激光打印机和LCD及PDP TV电源等谐振转换器设计中,提高效率和系统可靠性,并缩短宝贵的...
  • MOS管参数解读(热阻、输入输出电容及开关时间

    万次阅读 多人点赞 2019-12-12 10:36:46
    本博客主要讲述MOS管热阻,MOS输入输出电容,MOS管开关时间

    以下用到的SPEC参数是Rohm的NMOS管RE1C001UN

    热阻

    定义:热阻指的是当有热量在物体上传输时,在物体两端温度差与热源的功率之间的比值,单位是/W或者是K/W。

    半导体散热的三个途径,封装顶部到空气,封装底部到电路板,封装引脚到电路板。


    热阻的计算

    Tj:芯片结温,Ta:芯片环境温度,热阻ThetaJA = (Tj-Ta)/P

    还有一些其他的热阻参数如下:</

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  • 砷化镓光导开关具有响应速度快,转换率较高等特点,为它应用于研究高速器件的性能等方面提供了可能。通过阐述该领域理论和实验的主要研究结果,分析比较国内外的研究现状,为以后的研究工作打下基础。
  • 如果晶片有缺陷或封装的设备发生故障,这将推动可靠性测试和建模在生产过程中进一步上游化,以减少时间、生产能力、金钱和材料损失。在面对要在测试较高I/O数量的情况下节省成本的难题时,很多可靠性工程师会发现...

          对于集成电路制造商来说,随着设计规模不断演变,几何形状不断缩小以及新材料的使用,晶圆级可靠性测试变得比过去更加重要。如果晶片有缺陷或封装的设备发生故障,这将推动可靠性测试和建模在生产过程中进一步上游化,以减少时间、生产能力、金钱和材料损失。在面对要在测试较高I/O数量的情况下节省成本的难题时,很多可靠性工程师会发现他们无法采用传统的开关解决方案来解决这个问题,而是倾向于选择模块化的灵活的解决方案通过扩展来满足他们的需求。 

    ​      模块化PXI和LXI开关解决方案被用于各种级别的半导体测试中,包括封装级和晶圆级测试,开路和短路,电容,瞬态电荷捕获的I/V测试和SCPT(单电荷脉冲陷阱)。 

    我们用于半导体测试的开关解决方案具有以下特点:

    • 高保真连接 —— 仪器级舌簧继电器 适合低路径电阻,可重复连接

    • 多条模拟总线 —— 并行测试以提高通量

    • 高继电器闭合次数 —— 多个测试点接地进行I/V测试

    • 能够将测试序列加载 进单元中,并且采用触发进行过渡测试,减少测试时间

    • 高动作速度 —— 当采用基于舌簧继电器 的矩阵

    • 方便创建开关路由 —— 使用我们的软件工具 Switch Path Manager信号路由软件

    • 模块化设计 —— 便于扩展和维护

    下面列出了我们的半导体测试模块化开关解决方案的一些示例。

    ① 高密度LXI舌簧继电器矩阵——65-221系列

    • 模块化矩阵设计,具有4条Y轴连接

    • 用户可通过插入额外的卡自行配置X轴的尺寸,最多允许6144个节点

    • 十二或六条模拟总线

    • 采用最高品质的钌合金舌簧继电器实现在低平或高开关速度下最高的稳定性

    • 内置带有触发功能的扫描列表序列存储

    • 可被我们的诊断检测工具所支持:

      • BIRST™ —— 内置继电器自诊断

      • eBIRST™ 开关系统检测工具

     

     

    ② 高密度单刀LXI矩阵模块——60-553系列

    • 单刀高密度矩阵,最多可具有4096个节点

    • 两条模拟总线

    • 矩阵尺寸从256×4到1024×4

    • 可同时闭合的节点数量最多1027个

    • 开关电压最高150VDC/100VAC,功率最大60W

    • 开关电流最大2A

    • 可被我们的诊断检测工具所支持

      • BIRST™ —— 内置继电器自诊断

      • eBIRST™ 开关系统检测工具

     

     

    ③ BRIC超高密度PXI矩阵开关——40-558系列

    • 超高密度0.5A矩阵,每个模块最多具有6,144个节点 

    • 集成的PXI模块带有内置的高性能屏蔽模拟总线

    • 自动隔离继电器开关最大程度提高带宽和矩阵可靠性

    • 采用高可靠性的钌合金舌簧继电器最大程度提高性能

    • 有几种模拟总线的规格可供选择C:6、8、12 和 16 刀带有双模拟总线的配置可供选择

    • 3U PXI模块具有2、4 和 8-槽三种类型

    • 可被我们的诊断检测工具所支持:

      • BIRST™ —— 内置继电器自诊断

      • eBIRST™ 开关系统检测工具

     


    ④ 高密度单槽PXI矩阵开关——40-584系列

    • 高密度单槽3U PXI 2A矩阵具有256个节点

    • 128x2、64x4、32x8 和 16x16 几种尺寸可供选择

    • 热切换或冷切换的最大电流为2A

    • 开关电压最高300VDC/250VAC,功率最大60W

    • 采用镀金触点的电磁继电器

    • 可被我们的诊断测试工具所支持:

      • BIRST™ —— 内置继电器自诊断

      • eBIRST™ 开关系统检测工具


    ⑤ 高密度单槽PXI舌簧继电器模块——40-54x系列

    • 最高密度的单槽3U PXI舌簧继电器矩阵模块,具有528个节点

    • 采用部分填充的配置,最大程度地减少了成本 —— 该系列所有型号都采用这种配置

    • 开关电压最高150V,电流最大0.5A,功率最大10W

    • 操作速度快,<300ms

    • 可被我们的eBIRST开关系统检测工具所支持

     

     

    我们都多种基于PXI、PCI、LXI的开关模块,我们的产品可以使您的测试变得更加高效、低成本如果您想了解更多关于用于半导体测试的开关解决方案或任何其他开关、仿真或线缆解决方案的问题,请随时与我们联系~~~

     

    关于虹科测试测量

    虹科是一家在测试测量行业经验超过10年的高科技公司,虹科与世界知名的测量行业巨头公司Marvin Test以及Pickering Interface合作多年,提供领域内顶尖水平的基于PXI/PXIe/PCI/LXI平台的多种功能模块,以及自动化测试软件平台和测试系统。事业部所有成员都受过国内外专业培训,并获得专业资格认证,所有工程师平均5年+技术经验和水平一致赢得客户极好口碑。我们积极参与行业协会的工作,为推广先进技术的普及做出了重要贡献。至今,虹科已经为全国用户提供了100+不同的解决方案和项目,并且获得了行业内用户极好口碑。

     

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半导体开关时间