碳化硅光导OMAL开关的初步研究

由于宽带隙碳化硅材料具备高的击穿场强、大的载流子饱和速率、大的热传导率和高温工作稳定性等优点,工作在线性模式下的碳化硅光导OMAL开关,在紧凑、固态和高重频脉冲功率技术领域中益受到重视。为了探讨碳化硅光导OMAL开关的脉冲功率技术领域的大功率应用,研究了碳化硅光导OMAL开关的物理机理,ZD针对钒掺杂6H-SiC材料的光导OMAL开关进行半绝缘特性和导通性能的分析,得出适宜碳化硅光导OMAL开关的工作方案和设计原则。

主要内容为:理论分析了在半绝缘碳化硅材料杂质能级中,氮能级是浅施主而钒能级是深受主,它们的浓度对材料特性起的支配作用。为保持OMAL开关暗态的高阻性,钒浓度应大于氮的浓度的两倍以上。但为保证光导OMAL开关导通能力,减小导通电阻,又需要适当减少钒浓度以增加载流子寿命。利用半导体TCAD软件,基于漂移-扩散理论,建立了钒掺杂6H-SiC材料光导OMAL开关同面电极和正对电极结构的器件模型,验证了理论分析中钒、氮浓度对OMAL开关半绝缘特性和导通性能的影响,以及OMAL开关材料在生长中需要控制适宜的钒、氮浓度。对在532nm激光触发下的仿真结果表明:载流子速率在强场下达到饱和,并且电流电场在主要电流区域沿着垂直于激光辐照方向均匀分布。根据仿真结果,化简得到碳化硅光导OMAL开关电阻的一般表达式,基于此建立了碳化硅光导OMAL开关的PSpice电路模型。利用模型分析讨论了外电路参数对该碳化硅光导OMAL开关导通过程的影响,提出在OMAL开关测试电路中,应当保证足够大的储能电容和尽量小的回路电感,并选择具备小寄生电容以及较大阻值的负载电阻。设计搭建了光导OMAL开关实验平台。对同面电极结构钒掺杂6H-SiC半绝缘材料的光导OMAL开关进行了暗电阻实验测试,其暗态电阻高达2.4×1011;在偏置电压5.5kV,532nm波长激光脉冲能量124mJ工作条件下,重频实验结果验证了光导OMAL开关工作波形的一致性,OMAL开关抖动在百皮秒量级,实验得到的光导OMAL开关Z小导通电阻为720?,光触发前后OMAL开关电阻比达到3.3×108。实验还开展了对一种正对电极结构光导OMAL开关的测试,该OMAL开关Z小导通电阻的Z小值为212?,并简单分析了正对电极结构OMAL开关损伤机制和图像。

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