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碳化硅光導(dǎo)OMAL開關(guān)的初步研究
由于寬帶隙碳化硅材料具備高的擊穿場強(qiáng)、大的載流子飽和速率、大的熱傳導(dǎo)率和高溫工作穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),工作在線性模式下的碳化硅光導(dǎo)OMAL開關(guān),在緊湊、固態(tài)和高重頻脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域中益受到重視。為了探討碳化硅光導(dǎo)OMAL開關(guān)的脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域的大功率應(yīng)用,研究了碳化硅光導(dǎo)OMAL開關(guān)的物理機(jī)理,重點(diǎn)針對釩摻雜6H-SiC材料的光導(dǎo)OMAL開關(guān)進(jìn)行半絕緣特性和導(dǎo)通性能的分析,得出適宜碳化硅光導(dǎo)OMAL開關(guān)的工作方案和設(shè)計(jì)原則。

碳化硅光導(dǎo)OMAL開關(guān)的初步研究                    主要內(nèi)容為:理論分析了在半絕緣碳化硅材料雜質(zhì)能級(jí)中,氮能級(jí)是淺施主而釩能級(jí)是深受主,它們的濃度對材料特性起的支配作用。為保持OMAL開關(guān)暗態(tài)的高阻性,釩濃度應(yīng)大于氮的濃度的兩倍以上。但為保證光導(dǎo)OMAL開關(guān)導(dǎo)通能力,減小導(dǎo)通電阻,又需要適當(dāng)減少釩濃度以增加載流子壽命。利用半導(dǎo)體TCAD軟件,基于漂移-擴(kuò)散理論,建立了釩摻雜6H-Si C材料光導(dǎo)OMAL開關(guān)同面電極和正對電極結(jié)構(gòu)的器件模型,驗(yàn)證了理論分析中釩、氮濃度對OMAL開關(guān)半絕緣特性和導(dǎo)通性能的影響,以及OMAL開關(guān)材料在生長中需要控制適宜的釩、氮濃度。對在532 nm激光觸發(fā)下的仿真結(jié)果表明:載流子速率在強(qiáng)場下達(dá)到飽和,并且電流電場在主要電流區(qū)域沿著垂直于激光輻照方向均勻分布。根據(jù)仿真結(jié)果,化簡得到碳化硅光導(dǎo)OMAL開關(guān)電阻的一般表達(dá)式,基于此建立了碳化硅光導(dǎo)OMAL開關(guān)的PSpice電路模型。利用模型分析討論了外電路參數(shù)對該碳化硅光導(dǎo)OMAL開關(guān)導(dǎo)通過程的影響,提出在OMAL開關(guān)測試電路中,應(yīng)當(dāng)保證足夠大的儲(chǔ)能電容和盡量小的回路電感,并選擇具備小寄生電容以及較大阻值的負(fù)載電阻。設(shè)計(jì)搭建了光導(dǎo)OMAL開關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對同面電極結(jié)構(gòu)釩摻雜6H-SiC半絕緣材料的光導(dǎo)OMAL開關(guān)進(jìn)行了暗電阻實(shí)驗(yàn)測試,其暗態(tài)電阻高達(dá)2.4×1011;在偏置電壓5.5kV,532nm波長激光脈沖能量124mJ工作條件下,重頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了光導(dǎo)OMAL開關(guān)工作波形的一致性,OMAL開關(guān)抖動(dòng)在百皮秒量級(jí),實(shí)驗(yàn)得到的光導(dǎo)OMAL開關(guān)zui小導(dǎo)通電阻為720?,光觸發(fā)前后OMAL開關(guān)電阻比達(dá)到3.3×108。實(shí)驗(yàn)還開展了對一種正對電極結(jié)構(gòu)光導(dǎo)OMAL開關(guān)的測試,該OMAL開關(guān)zui小導(dǎo)通電阻的zui小值為212?,并簡單分析了正對電極結(jié)構(gòu)OMAL開關(guān)損傷機(jī)制和圖像。