В останнє десятиліття все більше поширення одержують пристрої формування потужних високовольтних імпульсів з індуктивними накопичувачами, у яких на основі твердотільних ключів-розмикачів використовують SOS – діоди. Для того щоб SOS – діод здійснив переривання струму в колі, забезпечується режим накачування: спочатку через нього пропускають імпульсний струм у прямому напрямку, а потім удвічі більший струм – у зворотному напрямку. Створюються умови, при яких діод якийсь час залишається провідним у зворотному напрямку, а потім обриває струм поблизу максимуму.
В Уральськом відділенні Інституту електрофізики РАН (Єкатеринбург) розроблена серія багаторазових мобільних SOS-генераторів електромагнітного випромінювання, інтенсивність та проникна здатність випромінювання, яких набагато вище, ніж у високовольтних магнітних генераторів.
Відсутність в SOS-генераторах газорозрядних комутаторів знімає принципові обмеження на частоту повторення імпульсів. У тривалому режимі роботи ця частота обмежена тепловими навантаженнями на елементи генератора, у першу чергу на сердечники магнітних ключів, а при короткочасному включенні генератора в режимі пакета імпульсів – частотними можливостями, тобто часом відновлення тиристорів і часом заряду первинного накопичувача. Режим пакету імпульсів, коли генератор працює від десятків секунд до декількох хвилин із частотою й вихідною потужністю у кілька разів перевищуючими номінальні, важливий саме для перспектив застосування в експериментальній фізиці, військовій сфері.
Одним із перших був створений генератор SM-2NS, який дозволяє отримувати вихідну напругу від 150 до 250 кВ, тривалість імпульсів складає від 3 до 4 нс, потужність імпульсу близько 100 MВт, частота слідування імпульсів – 3 кГц.
Найбільш потужний серед генераторів наносекундного класу - S-5N система охолодження елементів якого проточною водою споживає до 15 л/хв.
Він дозволяє отримувати вихідну напругу 400 – 1000 кВ, струм на навантаженні 1-3 кА, тривалість імпульсу 30 - 50 наносекунд. Частота слідування імпульсів: постійно – 300Гц, пачка (30 с) - 900 Гц. Цей генератор використовувся в експериментах по запалюванню коронних розрядів великого об'єму, які можуть знайти застосування в нових технологіях очищення повітря від шкідливих і токсичних домішок. Серед субнаносекундних генераторів найкращі показники досягнуті в моделі SM-3NS, у якій застосований новий тип SOS-діодів - субнаносекундні.
Із його допомогою можна отримувати імпульси вихідної напруги величиною до 400 кВ та тривалістю до 5 наносекунд. На рис. 4.3 наведена осцилограма такого генератора імпульсів.
Інтенсивні дослідження шляхів поліпшення характеристик SOS-генераторів тривають. Зокрема, у російських наукових центрах опрацьовується застосування цих генераторів для живлення широкополосних НВЧ - випромінювачів, а також як засоби накачування потужних газових лазерів. Розроблені в Росії прилади й експериментальні установки широко експлуатуються за кордоном у різних наукових організаціях: у США - у Ліверморській національній лабораторії, Дослідницькій лабораторії ВМС США, Техаському технологічному університеті, Дослідницькій лабораторії Армії; у Німеччині - у Дослідницькому центрі Карлсруе; у Республіці Корея - компанією LG Industrial Systems; в Ізраїлі – ядерним дослідницьким центром SOREQ NRC, фірмою Exion Technologies.
У роботі розглянуто характеристики напівпровідникових наносекундних діодів для розмиканні великих струмів.
У представленій роботі проведено опис роботи напівпровідниковихдіодних розмикачів струму для потужноїнаносекундной імпульсної техніки. Особливий інтерес представляютьдва типи кремнієвихдіоднихрозмикачів: ДДРВ й SOS-діод. За допомогою ДДРВвдаєтьсяперемикати потужність до сотень мегаватів за наносекунду при щільності струму порядку 102 А/см2. SOS– діоди дозволяютьперемикати потужності в кілька гігават за такі ж короткі часи при щільності струмубільше 103 А/см2.
Створення ДДРВ й SOS – діодів привело до створення нових потужних генераторівнаносекундних імпульсів, стало можливим розробляти генератори нано- і субнаносекундних імпульсів з напругою 103 - 106В, при частоті проходження імпульсів до 104 Гц і практично необмеженомутерміну служби.
Розробка генераторів потужнихнаносекундних імпульсів з індуктивним нагромадженням енергії й напівпровідникових переривачів струму дала великий стимул для розвитку робіт з релятивістської НВЧ електроніки, широкосмугової радіолокації, систем живлення лазерів, прискорювачів електронів, імпульсних рентгенівських апаратів і т.д.
РЕЦЕНЗІЯ
на дипломну роботу студента __ курсу гр. ____
кафедри побутової електронної апаратури факультету інженерних
технологій ВМУРоЛ "Україна"
Спеціальність:
Тема: НАПІВПРОВІДНИКОВІ НАНОСЕКУНДНІ ДІОДИ ДЛЯ РОЗМИКАННЯ ВЕЛИКИХ СТРУМІВ.
Дипломний проект присвячений вивченню напівпровідникових наносекундних діодів для живлення імпульсної техніки.
В першому розділі на основі літературних даних розглянуто типи напівпровідників та їх основні властивості, проаналізовано властивості потужних силових діодів, їх ВАХ.В результаті аналізу науково-технічної літератури вибрані шляхи рішення задачі і визначені основні труднощі, які необхідно здолати.
В другому розділі проведено розгляд основних властивостей напівпровідникових перемикачів, розглянуто їх основні характеристики та шляхи їх покращення.
Третій розділ присвячено розгляду основних типів напівпровідникових перемикачів високого струму, розглянуто дрейфові діоди із різким відновленням (ДДРВ), SOS-діоди, які виготовлені як із монокристалів кремнію так і із карбіду кремнію. Встановлено параметри роботи перемикачів та їх особливості виготовлення та експлуатації.
Четвертий розділ присвячено розгляду можливих шляхів використання ДДРВ та SOS-діодів в експериментальній фізиці, розглянуто технічні характеристики створених на їх основі імпульсних генераторів великих струмів.
Конструкторська документація і пояснювальна записка виконані відповідно до вимог ЄСКД.
Дипломна робота заслуговує оцінки „__________", а студент__________________присвоєння кваліфікації „__________________" за фахом „_________________________".
РЕЦЕНЗЕНТ:
ВІДГУК
на дипломну роботу студента __ курсу гр. ____
кафедри побутової електронної апаратури факультету інженерних
технологій ВМУРоЛ "Україна"
Спеціальність:
Тема: НАПІВПРОВІДНИКОВІ НАНОСЕКУНДНІ ДІОДИ ДЛЯ РОЗМИКАННЯ ВЕЛИКИХ СТРУМІВ.
У сучасному арсеналі експериментальної техніки для проведення фізичних експериментів джерела потужних високовольтних імпульсів займають досить об'ємну "екологічну" нішу.Тому тема дипломного проекту є актуальною.
Дипломант виконав аналіз науково-технічної літератури по технічним і конструктивним особливостям напівпровідникових наносекундних перемикачах, їх використанню в експериментальній фізиці.
У процесі виконання проекту дипломантом досліджено напівпровідникові наносекундні діодів різного типу та їх характеристики.Розглянутотехнологічні особливості виготовлення функціональних пристроїв на основі напівпровідникових наносекундних діодів.
Результати, отримані в процесі виконання дипломного проекту, можуть бути використані при розробцінапівпровідникових наносекундних діодів для розмикання великих струмів. У процесі виконання дипломної роботи __________________ показав вміння самостійно працювати з науково-технічною літературою, проводити теоретичні дослідження та інженерні розрахунки.
Бакалаврська робота заслуговує оцінки «__________», а студент _______________-присвоєння кваліфікації _________________________ за напрямком «Електронні апарати».
Науковий керівник, доцент кафедри ПЕА, к. т. н.
Розробка напівпровідникових нано- та субнаносекундних перемикачів високого струму є необхідною умовою подальшого розвитку експериментальної фізики, яка потребує перемикачів потужністю 1010 Вт із частотою слідування імпульсів до 104 Гц в дипломній роботі розглянуто два типи кремнієвих діодів: дрейфові діоди із різким відновлення (ДДРВ) та SOS-діоди, які дозволяють одержувати густини струмів порядку 102A/см2 та потужності 108 Вт і 105A/см2 та 1010 Вт відповідно.
SOS-діоди стали основою для створення двох типів наносекундних генераторів імпульсів великих струмів. У роботі розглянуто також можливість використання не тільки монокристалічного кремнію для створення ДДРВ та SOS-діодів, але і монокристалічного карбіду кремнію.
Annotation.
The development of semiconductor-based nano- and subnanosecond high current breakers is crucial for advancing modern research in experimental physics and radioelectronics, particularly with increasing power (to 1010 W) and repetition rate (to 104 Hz) of impulse devices. Highlighted in this graduation workare two types of silicon diodes: drift step recovery diodes (DSRDs) and SOS diodes with the attainable current densities and switched-off powers being 102 A/cm2 and 108 W in the former case, and 105 A/cm2 and 1010 W in the latter.
The study of the SOS-diodes showed that the current interruption time decreased to 500-600 ps when the reverse pumping time was reduced to 10-15 ns. Thestage of subnanosecond interruption of current equal to 1 kA. The current cutoff time is 600 ps. The subnanosecond SOS diode served as the basis for development of two types short pulse generators. The possibility of utilizing not only monocrystalline silicon (as in DSRDs and SOS diodes) for the base material but also monocrystalline silicon carbide is examined.
1. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Сов. радио, 1980. - 293 с.
2. Крутякова М.Г., Чариков Н.А., Юдин Б.В. Полупроводниковые приборы и основы их проектрования. - М.: Радио и связь, 1983. - 350 с.
3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы. - М.: Высш. шк., 1973. - 420 с.
4. И. В. Грехов, Г. А. Месяц // Успехи физических наук. Т 175, № 7, 2005.
5. С. А. Дарзнек, С. Н. Рукин, С. Н. Цыпанов // ЖТФ. Т 70, № 4, 2000.
6. А. В. Рожков, В. А. Козлов // Физика и техника полупроводников. Т. 37, вип. 12, 2003.
7. А. В. Рожков, В. А. Козлов, А. Ф. Кардо-Сысоев // Физика и техника полупроводников. Т. 37, вип. 12, 2003.
8. Тучкевич В. М., Грехов И. В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. – Л.: Наука, 1988. – 117 с.
9. Дарзнек С.А., Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н. // ДАН. 1994. Т. 334. № 3. С. 304-306.
10. Месяц Г А Генерирование мощных наносекундных импульсов. – М.: Сов. радио, 1974., 234 с.
11. Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника. – М.: Наука, 2004. – 148 с.
12. Гришанов Б.И.SOS-диоды – новые ключи в мощной импульсной технике // ДАН. 2004. Т. 178. № 2. с. 128-132.