专利名称：超快脉冲功率开关器件及自激励皮秒量级功率脉冲发生器的制作方法
技术领域：
本发明属于电子设备技术领域，涉及一种超快脉冲功率开关器件，还涉 及利用该超快脉冲功率开关器件制作的自激励皮秒量级功率脉冲发生器。
背景技术：
超快功率脉冲发生器，特别是皮秒量级的功率脉冲发生器，是超高速电
子学、超宽带通信、THz诊断、超宽带反隐形冲击雷达和电磁武器等领域的 研发重点。目前的皮秒量级超短脉冲发生器的主流技术是光电技术，即用半 绝缘超快光电半导体材料(GaAs、 InP等)作为开关器件。光电半导体开关 器件在暗态时能承受很高的直流偏置电压；当受到激光脉冲照射后，由于内 光电效应产生大量的光生电子-空穴对参与导电，半导体电阻率迅速下降， 开关导通；当光生载流子被电极吸收后，开关关断。如果激光的脉宽小于100 皮秒，则在这一过程中，电路可产生功率大、上升沿陡峭且无晃动的纳秒， 甚至是亚纳秒电脉冲，参见2004年6月(第53巻第6期)的《物理学报》 论文《用光电导开关产生稳幅ps量级时间晃动超快电脉冲的研究》(施卫、 马德明、赵卫等)。为了适应军用、民用需求，超短脉冲发生器必须尽可能 小型化、低成本，工作可靠、抗恶劣环境能力强，显然，现有的皮秒激光脉 冲发生器不能满足这些需求，存在以下缺点皮秒量级的激光器配套电源和 散热装置的体积庞大，导致价格昂贵；皮秒激光器自身对工作环境要求很高 (如抗震动性差、对湿度要求高)；激光必须对准光电导开关的光窗或者用 光纤引导，所以必须保证光控通路的结合可靠性。这些缺点源自使用了皮秒激光器，所以要从根本上克服这些缺点，就必须放弃这种光电结构。
利用气体放电技术也可产生亚纳秒的脉冲，如用高压氢气放电管作为开
关器件，参见2006年1月(第25巻第1期)的《电工电能新技术》论文《一
种亚纳秒高压脉冲源的研制》(李军浩、王晶、王颂等)，但是气体开关器件 的通病是脉冲重复性差，关断拖尾长。
利用脉冲整形技术也可产生亚纳秒的脉冲，但是输出电脉冲的峰值功率 很小，因此不适用于脉冲功率领域。如利用阶跃恢复二极管和短路线用来产
生脉冲，用FET管来进行脉冲的放大和作为脉冲产生与脉冲整形两部分电路 间的隔离，用肖特基二极管来减小脉冲的振铃，参见2007年10月(第28 巻第10期)《兵工学报》论文《超宽带皮秒级脉冲发生器》(纪建华、费元 春、周建明等)知峰值功率仅0.1W;如利用雪崩二极管在雪崩状态的导通 瞬间获得陡峭上升沿，再经阶跃恢复二极管整形，参见2007年5月(第36 巻第5期)《光子学报》论文《高功率激光装置中超快电脉冲发生器的研究》
(行海、欧阳娴、刘百玉等)知峰值功率仅10.6W。
发明内容
本发明的目的是提供一种超快脉冲功率开关器件，克服了现有超快光电 半导体开关器件需要超快激光器触发的缺点；克服了现有气体开关器件输出 脉冲重复性差，关断拖尾长的缺点。
本发明的另一目的是提供一种自激励皮秒量级功率脉冲发生器，克服了 现有光电电路需依赖皮秒激光器触发、现有气体放电电路脉冲重复性差和关 断拖尾长，以及现有脉冲整形电路峰值功率小的缺点。
本发明所采用的一个技术方案是， 一种超快脉冲功率开关器件，包括封 装外壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部有一半导体晶片，半 导体晶片上设置有两个共面的欧姆接触电极，每个欧姆接触电极都通过导电 银胶与各自对应的微带传输线连接，微带传输线又与各自对应的同轴端子连 接；在阴极侧的微带传输线上设置有空气隙。
两个欧姆接触电极之间距离与空气隙之比应大于10: 1。
微带传输线选用Al203双层覆铜板制作。
一种超快脉冲功率开关器件，包括封装外壳，在封装外壳的一端开口安 装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端 子，在封装外壳的内部设置有一半导体晶块，半导体晶块正对阳极同轴端子 的端面上设置有一欧姆接触电极，该欧姆接触电极通过导电银胶与同轴芯连 接，同轴芯与阳极侧的同轴端子连接；半导体晶块的正对阴极同轴端子的端
面上也设置有一欧姆接触电极，该欧姆接触电极与阴极侧的同轴芯留有一定
的空气隙，阴极侧的同轴芯与阴极侧的同轴端子连接；每个同轴芯与欧姆接 触电极平面的正中心垂直对准。
两个欧姆接触电极之间距离与空气隙之比应大于10: 1。
本发明所采用的另一个技术方案是， 一种自激励皮秒量级功率脉冲发生 器，包括高压直流电源，高压直流电源与电阻、电容依次串联构成回路，高 压直流电源l的负极接地，其特征在于超快脉冲功率开关器件与负载通过 同轴传输线串联，该串联支路与所述的电容并联；超快脉冲功率开关器件的 封装外壳接地。
本发明的脉冲发生器中所述的一种超快脉冲功率开关器件包括封装外 壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端 开口安装有阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部有一半导体晶片，半导体晶片上设置有共面的阴、阳欧姆接触电极，每个电极都通过导电银胶与各自
对应的微带传输线连接，微带传输线与各自对应的同轴端子连接；在阴极侧
的微带传输线上刻蚀有空气隙。
本发明的脉冲发生器中所述的另一种超快脉冲功率开关器件包括封装 外壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一 端开口安装有阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部设置有一半导体晶块， 半导体晶块正对阴、阳极的端面上各设置有一欧姆接触电极，阳极侧的欧姆
接触电极通过导电银胶与同轴芯连接，同轴芯与阳极侧的同轴端子连接；半 导体晶块的正对阴极的端面也安装有一欧姆接触电极，该欧姆接触电极与阴 极侧的同轴芯留有一定的空气隙，阴极侧的同轴芯与阴极侧的同轴端子连 接；每个同轴芯与欧姆接触电极平面的正中心垂直对准。
本发明的有益效果是，开关器件利用了气体开关和光电半导体开关的优 点，克服了其需超快激光器触发而带来的成本高、体积大、抗恶劣环境能力 差等一系列问题；脉冲发生器不需要任何激光器触发，输出的皮秒量级电脉 冲重复性好、峰值功率大、上升下降沿光滑，整个电路结构简单、体积小、 重量轻、造价低、抗恶劣环境能力强。
图1是现有的皮秒量级功率脉冲发生器的电路原理图； 图2是本发明的开关器件微带传输横向型实施例的结构示意图； 图3是本发明的开关器件同轴传输纵向型实施例的结构示意图； 图4是本发明的功率脉冲发生器实施例的电路原理图； 图5是本发明的功率脉冲发生器输出单次脉冲与多次脉冲的波形比较 图，其中a是单次脉冲波形图，b是1250次脉冲的叠加波形图。图中，l.高压直流电源，2.电阻，3.电容，4.光电半导体开关，5.皮秒激 光器，6.同轴传输线b， 7.负载，8.超快脉冲功率开关器件，9.封装外壳，10. 同轴端子a， ll.同轴芯a， 12.欧姆接触电极a， 13.半导体晶块，14.半导体 晶片，15.微带传输线a， 16.导电银胶a， 20.同轴端子b， 21.同轴芯b， 22. 欧姆接触电极b， 23.同轴传输线a， 25.微带传输线b， 26.导电银胶b。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。 图1所示是现有的皮秒量级功率脉冲发生器的电路原理图。其电路结构 中，高压直流电源1与电阻2、电容3依次串联构成回路，高压直流电源l 的负极接地；光电半导体开关4经同轴传输线6和负载7串联构成的电路与 电容3并联;光电半导体开关4的封装外壳9和同轴传输线6的外导体层(屏 蔽层)接地。该电路中使用了皮秒激光器5向光电半导体开关4发出激光脉 冲信号，光电半导体开关4再向负载7输出皮秒脉冲信号，整个电路需要依 赖激光器触发。
本发明的超快脉冲功率开关器件，包括有两种结构，分别是微带传输横 向型结构(见附图2)和同轴传输纵向型结构(见附图3)，两种结构的开关 器件工作原理相同。超快脉冲功率开关器件主要由半绝缘超快半导体材料、
空气隙、传输线和同轴端子串联构成，该开关器件必须满足以下基本条件
首先、半导体材料必须满足电阻率高、禁带宽、载流子寿命短的要求，半绝
缘GaAs、 InP、 SiC等均可例如采用非故意掺杂的半绝缘GaAs:EL2，其电 阻率应大于lxl07￡lcm，电子迁移率大于〉2000cmVV's，表面闪络电场强度 大于10kV/cm (实际应用中，为了避免表面击穿，可采用Si3N4钝化保护、 高压绝缘材料封装的技术，以增加表面闪络电场强度)。半导体的阴极和阳极为欧姆接触电极，是用电子束蒸发工艺淀积Au/Ge/Ni合金，经退火处理 与GaAs半导体形成欧姆接触。其次、半导体上欧姆接触电极之间距离与空 气隙之比应大于10: 1。空气隙必须位于半导体的阴极一侧，否则该器件不 能产生皮秒量级的超短脉冲，而是产生杂乱的波形。第三、传输线、同轴端 子的特性阻抗应与负载匹配。
图2为本发明的开关器件微带传输横向型实施例的结构示意图，图中在 封装外壳9的一端开口安装有阳极侧的同轴端子a10，在封装外壳9的另一 端开口安装有阴极侧的同轴端子b20，在封装外壳9的内部有一半导体晶片 14,半导体晶片14上设置有两个共面的欧姆接触电极a12和欧姆接触电极 b22，其中的欧姆接触电极a12通过导电银胶a16与阳极侧的微带传输线a15 连接，阳极侧的微带传输线a15与阳极侧的同轴端子a10连接。
欧姆接触电极b22通过导电银胶b26与阴极侧的微带传输线b25连接， 阴极侧的微带传输线b25与阴极侧的同轴端子b20连接，在阴极侧的微带传 输线b25上刻蚀有空气隙。
微带传输线用高导热性能的A1203覆铜板制作。空气隙是在微带传输线 b25上用光刻方法得到，刻蚀面要求平整。导电银胶选用TK130-60低温固化 导电银胶，导电银胶敷涂后需在常温下自然干燥固化24小时以上。
图3为本发明的开关器件同轴传输纵向型实施例的结构示意图。图中在 封装外壳9的一端开口安装有阳极侧的同轴端子a10，在封装外壳9的另一 端开口安装有阴极侧的同轴端子b20，在封装外壳9的内部有半导体晶块13， 半导体晶块13的正对阳极的端面上设置有欧姆接触电极a12，该欧姆接触电 极a12通过导电银胶a16与阳极侧的同轴芯a1连接，阳极侧的同轴芯all 与阳极侧的同轴端子alO连接。半导体晶块13的正对阴极的端面也安装有欧姆接触电极b22，该欧姆接 触电极b22与阴极侧的同轴芯b21留有一定的空气隙，阴极侧的同轴芯b21 与阴极侧的同轴端子b20连接；同轴芯all和同轴芯b21与各自对应的欧姆 接触电极平面的正中心垂直对准。 封装外壳9采用不锈钢材料制作。
本发明的两种结构的开关器件的电特性具体体现在第一、空气隙电离 产生的电子，能作为半导体导带电子参与导电，具有调制半导体电导率的作 用；第二、空气隙电离的雪崩倍增机制，增加了向半导体注入非平衡载流子 的注入效率；第三、空气隙放电后分压变小，半导体上分压立即变大，高场 下半导体对电子有很强的加速作用；第四、电子作为多子从半导体阴极电注 入，扩散与漂移为同一方向，均对电流有贡献；第五、半绝缘半导体与空气 隙之间动态分压，大大提高了开关的耐压能力；而且这种动态分压抑制了空 气隙电子崩向流注的转变，迫使电离立即终止，大大提高空气隙的关断速度； 第六、半绝缘半导体与空气隙均处于导通状态时，能量才能向负载释放，因 为本发明选择了载流子寿命短、迁移率高的超快半导体材料，其导通时间远 远小于空气隙的导通时间，所以本脉冲发生器的脉宽主要由超快半导体的导 通时间决定，克服了气体隙开关开通和关断速度慢的缺点。
本脉冲发生器的输出电脉冲的脉宽(半高全宽)小于340ps，脉冲上升 沿小于200ps，脉冲触发晃动小于4ps，幅度在20V 1000V可调，脉冲重复 频率 (0.2kHz lkHz) ±10%，功率峰值在800W以上。
如图4所示，为本发明的自激励皮秒量级功率脉冲发生器的电路连接示 意图。包括高压直流电源1，高压直流电源1与电阻2、电容3依次串联构 成回路，高压直流电源l的负极接地；经阳极端同轴传输线a23和阴极端同轴传输线b6，超快脉冲功率开关器件8和负载7串联构成的支路与电容3 并联；超快脉冲功率开关器件8的封装外壳和同轴传输线的外导体层(屏蔽
层)接地。
超快脉冲功率开关器件8是本发明的功率脉冲发生器的核心元件，它的 参数和特性对超快脉冲的上升沿、下降沿、脉宽、幅值、波形等会产生最直 接、最敏感的影响。
本发明的自激励皮秒量级功率脉冲发生器工作原理是当超快脉冲功率 开关器件8上偏置电压在空气隙放电阈值电压(即本脉冲发生器自激励阈值) 以下时，因为超快脉冲功率开关器件8的半导体处于半绝缘状态，空气隙处 于绝缘状态(此时偏置电压主要降在空气隙上)，所以器件不导通，电路处 于断路状态，无电流通过负载。调节高压直流电源1使超快脉冲功率开关器 件8上电压达到阈值以上，空气隙在高压下放电，因为空气雪崩电离产生能 自由运动的电子和正离子，所以空气隙的电阻率迅速下降，分压变小，雪崩 电离过程超快终止。与此同时，半导体上分压变大。空气隙内产生的自由电 子在外加电场的作用下，进入半导体的阴极。其中能量高于半导体导带底的 电子，能进入半导体并作为导带电子参与导电，称为非平衡载流子注入，使 原本半绝缘半导体的电阻率迅速下降，超快脉冲功率开关器件8导通。这些 导带电子在高电场条件下快速向阳极漂移，被阳极吸收后，半导体又恢复至 半绝缘状态，超快脉冲功率开关器件8关断。这一电流过程在负载上表现为 一个皮秒量级的脉冲。由于充电电容的能量瞬时释放，电容电压会下降。当 电容电压再次被直流电源充电至超快脉冲功率开关器件8的自激励阈值以上
时，空气隙才会再次放电，周而复始，重复以上脉冲产生过程。通过调节直 流偏置电源大小，可以改变输出脉冲的幅值大小。实施例
本实施例脉冲发生器的电路如附图4所示，其选用参数为高压直流电
源1为0 5000V可调直流高压电源，电容3为耐压6000V的O.l(iF陶瓷电 容器，电阻2为可调电阻。超快脉冲功率开关器件8的结构如附图2所示， 其选用参数为半导体晶片14的材料为半绝缘GaAs:EL2，电阻率 5xl07Q'cm，电子迁移率5500cmVv's，半导体晶片14的尺寸为 9.0mmx6.0mmx0.6mir，半导体晶片14上电极a12和电极b22的尺寸均为 6.0mmx4.0mm，圆角半径均为l.lmm，电极a12和电极b22之间的距离为 3.5mm，微带传输线b25上制作空气间隙0.2mm，微带传输线、同轴端子的 特性阻抗均为50Q。负载7用Lecroy公司WaveMaster 8600A (带宽6GHz) 数字存储示波器作为50Q负载。因为本发明的脉冲发生器的输出电压较高， 所以在示波器前加了宽带0 18GHz、特性阻抗50Q的60dB衰减器，示波器、 衰减器均使用50Q同轴传输线连接。
电路的测试将电阻2调至IOMQ，当高压直流电源1的电压小于阈值 电压800V时，示波器无信号显示；调节高压直流电源l大小，在大于800V 后，就得到脉宽仅340ps左右且重复性很好的电脉冲，继续逐渐提高电压源 电压，脉冲幅值随之增加，脉宽几乎不变。当电源电压为1500V时，输出电 脉冲波形如附图5所示，图a是本发明功率脉冲发生器的单次脉冲波形图， 输出电脉冲的脉宽为326ps，上升沿为191ps，下降沿为686ps，上升下降沿 光滑；图b是本发明功率脉冲发生器的1250次脉冲叠加波形图，脉冲重复 性好，晃动小于4ps，脉冲幅度晃动小于10%，平均幅度约200V，平均功率 峰值约800W。
本发明的两种结构的超快脉冲功率开关器件利用了气体开关耐压高和通流能力强的优点，克服了其输出脉冲重复性差，关断拖尾长的缺点；利用 了光电半导体开关触发晃动小、关断速度快的优点，克服了其需超快激光器 触发的缺点。本发明的脉冲发生器利用了该超快脉冲功率开关器件作为核心 部件制作，不需要任何激光器触发，整个结构简单、便携性好、成本低、抗 恶劣环境能力强。
权利要求
1. 一种超快脉冲功率开关器件，其特征在于包括封装外壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部有一半导体晶片，半导体晶片上设置有两个共面的欧姆接触电极，每个欧姆接触电极都通过导电银胶与各自对应的微带传输线连接，微带传输线又与各自对应的同轴端子连接；在阴极侧的微带传输线上设置有空气隙。
2、 根据权利要求1所述的超快脉冲功率开关器件，其特征在于所述 的两个欧姆接触电极之间距离与空气隙之比应大于10: 1。
3、 根据权利要求1所述的超快脉冲功率开关器件，其特征在于所述 的微带传输线选用Al203双层覆铜板制作。
4、 一种超快脉冲功率开关器件，其特征在于包括封装外壳，在封装 外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有 阴极侧的同轴端子，在封装外壳的内部设置有一半导体晶块，半导体晶块正 对阳极同轴端子的端面上设置有一欧姆接触电极，该欧姆接触电极通过导电 银胶与同轴芯连接，同轴芯与阳极侧的同轴端子连接；半导体晶块的正对阴极同轴端子的端面上也设置有一欧姆接触电极，该 欧姆接触电极与阴极侧的同轴芯留有一定的空气隙，阴极侧的同轴芯与阴极 侧的同轴端子连接；每个同轴芯与欧姆接触电极平面的正中心垂直对准。
5、 根据权利要求4所述的超快脉冲功率开关器件，其特征在于所述 的两个欧姆接触电极之间距离与空气隙之比应大于10: 1。
6、 一种自激励皮秒量级功率脉冲发生器，包括高压直流电源，高压直流电源与电阻、电容依次串联构成回路，高压直流电源1的负极接地，其特 征在于超快脉冲功率开关器件与负载通过同轴传输线串联，该串联支路与 所述的电容并联；超快脉冲功率开关器件的封装外壳接地。
7、 根据权利要求6所述的自激励皮秒量级功率脉冲发生器，其特征在于所述的超快脉冲功率开关器件包括封装外壳，在封装外壳的一端开口安 装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端 子，在封装外壳的内部有一半导体晶片，半导体晶片上设置有共面的阴、阳 欧姆接触电极，每个电极都通过导电银胶与各自对应的微带传输线连接，微带传输线与各自对应的同轴端子连接；在阴极侧的微带传输线上刻蚀有空气隙。
8、 根据权利要求6所述的自激励皮秒量级功率脉冲发生器，其特征在于所述的超快脉冲功率开关器件包括封装外壳，在封装外壳的一端开口安装有阳极侧的同轴端子，在封装外壳的另一端开口安装有阴极侧的同轴端 子，在封装外壳的内部设置有一半导体晶块，半导体晶块正对阴、阳极的端 面上各设置有一欧姆接触电极，阳极侧的欧姆接触电极通过导电银胶与同轴芯连接，同轴芯与阳极侧的同轴端子连接；半导体晶块的正对阴极的端面也安装有一欧姆接触电极，该欧姆接触电 极与阴极侧的同轴芯留有一定的空气隙，阴极侧的同轴芯与阴极侧的同轴端子连接；每个同轴芯与欧姆接触电极平面的正中心垂直对准。
全文摘要
本发明公开了一种超快脉冲功率开关器件，包括半绝缘超快半导体材料、空气隙、传输线和同轴端子依次连接构成。本发明还公开了一种自激励皮秒量级功率脉冲发生器，由高压直流电源与电阻、电容依次串联构成回路，高压直流电源的负极接地；超快脉冲功率开关器件与负载通过同轴传输线串联，该串联支路与所述的电容并联；超快脉冲功率开关器件的封装外壳接地。本发明不需要任何激光器触发，与现有技术相比整个结构简单、便携性好、成本低、抗恶劣环境能力强。
文档编号H03K3/00GK101282113SQ20081001822
公开日2008年10月8日 申请日期2008年5月16日 优先权日2008年5月16日
发明者磊 侯, 峥 刘, 鸣 徐, 卫 施, 王馨梅 申请人:西安理工大学