mosfet雪崩击穿，雪崩击穿二极管
chanong
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近年来，脉冲半导体激光器的应用日益广泛。由于其增益带宽宽、尺寸小、效率高、寿命长、价格低廉，由于其增益切换方法直接注入高频信号来驱动半导体，因此在世界各地用于军事和消费应用激光。还可以产生超短光脉冲，并且与调Q和锁模方法相比，它不需要光学元件，因此适用于传统结构的半导体激光器。同时，其光脉冲的重复频率可以在很宽的范围内调节。为了获得高质量的超短光脉冲，需要纳秒甚至皮秒的电脉冲来驱动半导体激光器。雪崩晶体管可以轻松生成具有亚纳秒上升时间和大峰值功率的短脉冲。具有延迟抖动低、寿命长、工作可靠等优点。它已成为纳秒脉冲发生器的首选组件。
1、雪崩晶体管的工作原理：当晶体管的集电极施加比正常工作电压高很多倍的电压时，集电极中的载流子受到强电场的加速，获得大量的能量。这些加速的载流子与晶格碰撞产生新的电子/空穴对，这些新的电子/空穴对中的每一个都被强电场加速，重复上述过程。结果，流入集电极的电流像“雪崩”一样突然增加的现象被称为晶体管雪崩效应，而雪崩效应明显的晶体管被称为雪崩晶体管。设*为雪崩效应后晶体管的共基极电流增益，则*=M，M为雪崩倍增因子，为雪崩效应前晶体管的共基极电流增益。乘法因子通常由以下公式确定：
其中Uc是施加的电压，BUCBO是发射极开路时的集电极-基极反向击穿电压，n是与晶体管材料相关的米勒指数，对于硅材料通常为3到4。
类似地，假设*是雪崩晶体管发生雪崩后的共发射极电流增益，则
图1 NPN雪崩晶体管的共发射极输出特性
如图1所示，当UCE 如果UCE继续增加，在基极连接电阻或施加反向偏压，则基极雪崩击穿呈现负阻特性。在本文中，我们公司和BUCBO限制的电压范围被称为雪崩工作区域。图1中，BUCEO为基极开路时的集电极-发射极击穿电压，BUCBR为基极与发射极之间存在间接电阻时的集电极-基极击穿电压，BUCBS为基极-发射极击穿电压。为基极短路时的发射极击穿电压， 为集电极-发射极击穿电压，BUCBX 为基极反向偏置时的集电极-发射极击穿电压，满足关系BUCEO 在雪崩区，电流增益比正常工作时增加M倍，晶体管的有效截止频率显着增加，其开通速度仅为纳秒或亚纳秒。雪崩过程中的电容和负载电阻以及相应的输出幅度和脉冲宽度是可以改变的。雪崩晶体管通常是低功率开关晶体管，例如2N5551、2N5192。 Zetex 的ZTX415 是一款专用雪崩晶体管，可产生最大60A 的电流脉冲，并被选用于该电路的设计。
图2 显示了雪崩管的基本电路。电路必须满足以下要求：
Ts是触发脉冲Vi的周期。
图2 雪崩晶体管的基本电路
电压VCC通过电阻R3和R5对C2充电。 R3一般为几十k，以保证雪崩管的工作频率。 R5是检测电阻，大约1。 C2 可以是陶瓷或云母电容器，通常为几十pF。当触发脉冲连接到基极时，雪崩晶体管充当开关，C2 通过晶体管和R5 放电。改变C2和VCC可以改变输出脉冲的峰峰值。增大C2不仅增大峰峰值，而且增大输出脉冲宽度。增大VCC会减小开路晶体管的电阻，因此输出脉冲宽度减小，但峰峰值增大。肖特基二极管D1与检测电阻R5并联可以减少C2放电时的反向过冲。
可以将多个雪崩管并联以获得更高的峰值电流。但当温度变化时，并联雪崩管不能保证同时导通，因此输出脉冲的波形会发生变化。为了解决这个问题，使用了雪崩管阵列。如图3所示。
该电路由两级串联的雪崩管组成，每级由三只并联的雪崩管组成。该电路的主要特点是：1）它在导通过程中重新分配每一级的电压；2）快速的电压变化为雪崩管的基极电平提供了额外的载流子；这与访问的平等有关。管触发脉冲的面积。该电路的工作原理如下。触发脉冲连接到处于临界雪崩状态的晶体管Q1-Q3的基极，导致Q1-Q3中的至少一个发生雪崩。晶体管集电极和发射极之间的电压从最初的VO=230V下降到VRO（大约100到150V，取决于此时电流的大小）。 VO-VRO的负阶连接到Q4-Q6的发射极级，这破坏了基区载流子的平衡，并增加了集电极-发射极级之间的压降，导致Q4-Q6中的至少一个做。在一场雪崩中。新开启的晶体管的压降重新分配其他两个不导通晶体管的压降，最终导致每个雪崩管发生雪崩。理论上可以获得的最大电流为：
在：
Rj为雪崩晶体管导通时的电阻，R1为负载的电阻，L1为负载的寄生电感，Ls为雪崩晶体管和电容器的寄生电感。 FWHM是电流脉冲的半宽度，n是雪崩晶体管的并联级数，N是串联级数。
由于工艺原因，每个晶体管具有不同的击穿电压Vb。对于该电路，我们需要选择Vb相差小于1V的晶体管，以便它们能够同时导通。
可以在末端添加阶跃恢复二极管（SRD），使大电流脉冲的上升沿更陡。
2. 获取触发脉冲本次选择的触发脉冲由振荡电路和脉冲整形电路组成，具体电路如图3所示。由555定时器组成的振荡电路产生频率可调的脉冲序列V1，经74LS123整形后得到触发脉冲V2。调整R1 可以改变输出脉冲的频率，调整Rext 可以改变输出脉冲的脉冲宽度。脉冲宽度的计算公式为：
lN是由Rext和Cext的值确定的待定系数。当Rext为0.6k、Cext为100pF时，Tw6+0.05Cext+0.45RextCext+11.6Rext44.96ns。
图4 触发级电路图
触发脉冲的特性对后续阶段产生的大电流短脉冲有重要影响。从图中我们可以得出，触发脉冲越窄、功率越高，越有利于雪崩晶体管的瞬时导通。该电路产生的触发脉冲参数为：FWNM=40~80ns（可调），峰峰值=4V，频率f=800Hz~35kHz（可调），上升沿tr16ns。
3. 干扰对策和电路板设计(1) 电源电路的干扰对策
由于该电路由市电供电，来自电网的噪声通过供电电路对设备电路产生干扰，是设备电路的主要干扰源之一。其次，电源电路本身也是一个干扰源，它产生的纹波和自激振荡会对电子电路造成干扰。因此，选择电源时要考虑纹波电压、电压是否稳定、绝缘措施是否合适等，并在电源电路中加屏蔽。
(2)数字集成电路的干扰措施
在数字集成电路的电源入口处接入约10F的钽电容和约0.01F的陶瓷电容作为去耦电路，防止电源电流变化对集成电路产生干扰。为了防止噪声进入布线，请使集成电路外部定时电容器和定时电阻器相互接触的引线尽可能短，并尽量减少两根电容器引线和电路形成的环路面积。电磁场。
(3) 电路板设计
印制电路板设计涉及确定板的安装位置，以及元件在印制电路板上的放置和接线，同时考虑到整机的结构特点、电源的位置和尺寸等。各单元电路之间的关系。
电路板采用双面印刷电路板，一侧有电路布线，另一侧有元件，数字集成电路元件和模拟电路元件放置在一起。地线采用铜箔，显着降低了接地电阻和接地电感，接地点之间的接地电位几乎相等。另外，由于整条线路元件靠近“地”，部分干扰电场直接到“地”，削弱了元件之间、走线之间、走线与元件之间的串联或寄生耦合，脉冲串扰变得有效。 将被排除在外。将印制电路板上的数字地和模拟地分开，减少数字集成电路通过接地电阻影响模拟电路的噪声干扰，将输出匹配电路与其他单元电路分开印制，并减少电路的影响，调整分布输出匹配电路部分的参数，根据印制电路板电流的大小增加电源线的宽度，使环路更小。
总结以上是基于雪崩晶体管的纳秒脉冲驱动电路的设计介绍。采用雪崩晶体管阵列，获得峰值电流6A、半宽70秒的大电流窄脉冲，脉冲频率可调。电路设计简单，所选元件价格实惠。该脉冲驱动电路使用YB4365 100M示波器测试，电阻为2电阻作为末级半导体激光器的等效电阻，输出显示如下： 极性：负极性，FWHM7ns，tf5ns；tr 3.6ns；Im6A。
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