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

碳化硅光導OMAL開關的初步研究                    主要內容為:理論分析了在半絕緣碳化硅材料雜質能級中,氮能級是淺施主而釩能級是深受主,它們的濃度對材料特性起的支配作用。為保持OMAL開關暗態(tài)的高阻性,釩濃度應大于氮的濃度的兩倍以上。但為保證光導OMAL開關導通能力,減小導通電阻,又需要適當減少釩濃度以增加載流子壽命。利用半導體TCAD軟件,基于漂移-擴散理論,建立了釩摻雜6H-Si C材料光導OMAL開關同面電極和正對電極結構的器件模型,驗證了理論分析中釩、氮濃度對OMAL開關半絕緣特性和導通性能的影響,以及OMAL開關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)下的仿真結果表明:載流子速率在強場下達到飽和,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)仿真結果,化簡得到碳化硅光導OMAL開關電阻的一般表達式,基于此建立了碳化硅光導OMAL開關的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OMAL開關導通過程的影響,提出在OMAL開關測試電路中,應當保證足夠大的儲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載電阻。設計搭建了光導OMAL開關實驗平臺。對同面電極結構釩摻雜6H-SiC半絕緣材料的光導OMAL開關進行了暗電阻實驗測試,其暗態(tài)電阻高達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,重頻實驗結果驗證了光導OMAL開關工作波形的一致性,OMAL開關抖動在百皮秒量級,實驗得到的光導OMAL開關zui小導通電阻為720?,光觸發(fā)前后OMAL開關電阻比達到3.3×108。實驗還開展了對一種正對電極結構光導OMAL開關的測試,該OMAL開關zui小導通電阻的zui小值為212?,并簡單分析了正對電極結構OMAL開關損傷機制和圖像。