硅纳秒级切断开关热特性研究

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1、摘要摘要基于半导体中高密度电流瞬间被切断的效应(SOS效应)研制的硅纳秒级切断开关与传统的高功率开关相比，具有体积小、重量轻、造价低、寿命长和可在高重复频率下工作等优点，它的研制成功，满足了现代高功率、超宽带脉冲发生器系统对脉冲源高重复频率、高可靠性等要求，特别是它长寿命优点不仅会为射频、射束的武器化提供新的技术支持，而且将推动脉冲功率技术在工业领域的应用。．本文介绍了硅纳秒级切断开关国内外研究进展及水平，分析了半导体中高密度电流瞬间切断技术的物理原理，比较了几种具有p4-．n-n+结构的硅快速切断开关器件的电流切断模式。对影响开关性能的关键工艺技术进行了实验研究，用有限元

2、软件ANSYS建立了开关结构的三维模型，并进行了热应力仿真。根据仿真结果，对开关结构进行了改进，研制出了工作电压lkV、电流3kA、电流切断时间14ns、芯片面积0．28era2的开关芯片，和工作电压120kV～500kV、电流3kA、电流切断时间4～10ns的开关组件。改进结构的开关在300Hz连续模式和1000Hz猝发模式下工作正常，各项技术指标与俄罗斯开关水平相当。本论文的创新主要集中在以下方面：(1)对影响硅纳秒级切断开关性能的关键工艺技术进行了详细实验研究，研制出了能在纳秒时间内切断高密度电流的开关芯片；(2)用有限元软件ANSYS对开关结构进行了热应力仿真，比较

3、了硅一铝和硅一镍两种叠层结构的热应力和应变，改进了开关结构，解决了开关在1000Hz猝发模式中存在的问题；(3)针对开关在脉冲源中的使用要求，研制出了工作电压500kV、电流3kA、电流切断时间9ns的开关组件，各项指标与俄罗斯开关的水平相当。关键词：SOS效应纳秒切断超宽带高功率微波辐射吉瓦ABSTRACT3Comparedwithtraditionalhighpowerswitch，thesiliconnanosecondopeningswitchwhichbasesonsemiconductoropeningswitcheffect(SOSeffect)hassmal

4、lvolume，lightweight，cheapcost，longlifetimeandcanworkinhighrepeatingfrequency．Thisdevicecansatisfytherequirementofhi曲repeatingfrequency,highreliabilityformodernhighpower,ultrawidebandpulsegenerator．Thecharacteristicoflonglifetime．cansupplynewtechniquefortheradio，beamweaponry,itCanalsoimpuls

5、etheapplicationofpulsepowertechniqueforindustry．Thispaperintroducestheforeigndevelopmentandlevelofthesemiconductornanosecondopeningswitch，analysesthephysicsprincipleofthetechniqueforhighdensitycurrentinstantcutoff,comparescurrentcutoffmodesofsiliconfastcutoffswitcheswhichhavethep+一n-11十str

6、ucture．ThispaperoperatesexperimentsofthekeytechnologywhichCanimpacttheswitchperformance，getsa3DmodelforswitchstructurethroughANSYSsoftware．Athermalstresssimulationalsowascarriedout．Accordingtotheresultofthesimulation，aswitchchipwithlkVworkvoltage，3kAcurrent，14nscurrentcutofftimeandaswitchm

7、odulewith120kV～500kVworkvoltage，3kAcurrent，4--10nscurrentcutofftimewereobtainedthroughtheimprovementfortheswitchstructure．Thisswitchcailworkunderthe300Hzcontinuemodelandthe1000Hzburstmodel，ithasthesameperformanceasRussianswitch．Thispaperhastheinnovationsfocusi