Grundlagen der Avalanche Impulsschalter In der Optik gibt es oft

Grundlagen der Avalanche Impulsschalter
In der Optik gibt es oft Bauteile, die eine hohe Spannung zur Ansteuerung benötigen. Typisch sind
das die Pöckelszellen, die Kristalle mit Doppelbrechung verwenden. Diese in der Regel KDP oder
ADP- Kristalle werden in Laserresonatoren eingebaut und haben die Aufgabe, entweder die Moden
zu stabilisieren (Modelocker) oder die verstärkte Mode aus dem Resonator auszukuppeln (Cavity
dumper, Q- switch).
Cavity dumper mit einem zylindrischen KDP* Kristall braucht zur Drehung der Polarisation um 90°
typisch 3,2 kV, die Spannung muss innerhalb von max. 10 ns aufgebaut werden.
Über diese Bauteile, deren Konstruktion und Eigenschaften will ich in einer besonderen Kapitel
berichten.
Hier geht es um die Technik, die es möglich macht, innerhalb eines Durchlauf der Mode im
Laserresonator die Polarität umzudrehen und damit den Laserstrahl aus dem Resonator
auszukoppeln.
Die typische Last, die umgeschaltet werden muss
Die typische Pockelszelle aus KD*P hat die Form eines Zylinders, Durchmesser 12 mm,
Kristallänge 24 mm. Mit aufgedampften Elektroden je 8 mm Länge ergibt sich eine Kapazität von
8- 10 pF.
Im praktischen Aufbau im unseren Experiment (Laser ranging instrument- Kristall Optik FFB ,
1981) hat sich die Lastkapazität mit kurzen Anschlüssen und Vorspannungseinstellung auf ca. 100
pf summiert.
Wenn man die Parameter einschätzt, ergibt sich für gewünschte Schaltzeit von 5 ns und die
Kapazität von ca 100 pf bei Impulshöhe 3,6 kV ein Spitzenstrom von 80 A.
Solche Parameter sind von Elektronenröhre nicht erzielbar. Mit einem Avalancheswitch ist es
gelungen, eine nachhaltig stabile Funktion aufzubauen.
Zum Prinzip der Avalanchetransistoren
Auch im Halbleiter ist, ähnlich wie in Gasen, die Stossionisation möglich. Die Ladungsträger
bewegen sich in einer Kristallstruktur- typisch Silizium, aber auch Germanium, die einzelne Atome
ausfüllen. Fehlen in der Kristallstruktur Defekte, so verhält sich der Kristall als Isolant. Werden im
Kristallgitter absichtlich andere Atome eingebaut, z. B. Indium (hat nur 3 Elektrons in der
Aussenhülle, also sucht nach dem fehlendem Elektron, man bezeichnet die Leitfähigkeit als ein
Loch, also In ist ein Akzeptor) oder Arsen (hat wieder einen Elektron zuviel, der kann sich im Gitter
bewegen- As ist Donator), so haben wir es mit P oder N Leitfähigkeit zu tun.
In dem Transistor werden Schichten mit unterschiedlichen Dotierung, also Zugabe der Donoren
oder Akzeptoren gestaltet, so dass eine Dreipolstruktur entsteht.
Eine Elektrode hat dann die Funktion, in den Raum zwischen Basis und Kollektor externe
Ladungen zu injizieren, es ist der Emitor.
In vorgespanntem Betrieb, d.h. mit angelegter Spannung zwischen Kollektor und Basis weden die
Ladungsträger aus dem Kristall weggepumpt, ohne Ansteuerung vom Emitor bleibt nur ein kleiner
Reststrom, also eigentlich nur Rauschen der Zufallsladungsträger.
Im Transistorkristall entsteht also eine praktisch ladungsfreie Zone, in der sich der Potential verteilt.
Die Gradienten des Feldes sind durch die Konstruktion gegeben.
Moderne Transistoren werden in Planartechnologie hergestellt. Das bedeutet, das auf dem
Halbleitersubstrat werden die Dotierungen und Schichten nacheinander aufgetragen. Die älteste
Planartechnologie war vom Fairchild als 2N696 auf den Markt gebracht, ursprünglich als Mesa
hergestellt. Mesa ist abgeleitet vom „Tisch“, das ist die Form, die man beim Betrachten des Chips
mit Aufsichtsmikroskop sieht. Die Struktur wurde planar hergestellt, die einzelne Transistoren aus
dem Wafer herausgesägt und die Kanten abgeätzt. Die Säge hat die Kristalle in der Nähe des
Schnittes degradiert- deshalb war es notwendig, die Schnittstellen abzuätzen.
Diese Transistoren haben für damalige Zeit hohe Spannung vertragen, bis ca. 200V, waren auch
schnell und vertragen auch für damalige Zeit viel Strom- bis 1 A.
Entsprechend dimensioniert sind auch die Bondanschlüsse, also Golddrätchen zwischen dem
Gehäuse und Chip dimensioniert. Erste wirklich zuverlässige Stück kamen vom Fairchild (2N696),
nachdem sie oxydpassiert wurden.
Beim experimentieren mit diesen Transistor hat man festgestellt, das beim Übertreten der zulässiger
Spannung der Transistor nicht vernichtet wurde, sondern kam wieder zu sich, nachdem die
Spannung zurückgenommen wurde. Der Durchbruch erfolgte erstaunlich schnell und die
Wärmeentwicklung blieb ungefährlich, wenn der Kurzschlusstrom begrenzt wurde.
Was passierte also?
In der ladungsfreier Zone des Mesa-Transistors hat der Gradient einen Wert erreicht, bei dem die
Energie eines Ladungsträgers beim Zusammenstoss mit dem Kristall mehr, als einen zusätzlichen
Ladungsträger produzierte- also typisch eine Lavine. Diesen Effekt kann man noch optimieren
durch abgestufte Dotierung des Kristalls. Durch die Planarstruktur wurde die gesamte ladungsfreie
Zone stark ionisiert, also entstanden keine heisse Punkte -hot spots- die gewöhnlich den Transistor
unbrauchbar machen. Diese Ionisierung bleibt eine Zeit auch nach dem Zusammenbruch der
Spannung bestehen- also eine Pause bis zum nächsten Impuls muss man einplanen. Die
Rekombination der Ladungsträger mit dem Kristall braucht Zeit in Grössenordnung 1µs. Die
Verlustleistung würde aber für Erwärmung sorgen- die Wiederholfrequenz der Impulse ist dadurch
limitiert.
Man verwendet diese Technologie auch bei den Leistungsgleichrichter, die dadurch höhere
Zuverlässigkeit erreichen.
Mit der Zeit kamen auch Planar-Epitaxial hergestellte Transistoren, die ähnliche Qualitäten, wie der
Mesa- Transistor besitzen. Die Durchbruchzeit kann aber variieren, je nach der
Dotierungsverteilung im Transistor. Bei einigen kann man eine kleine Verzögerung, einen Hocker
an der Entladungsflanke beobachten, es gibt Arbeiten, die mehrere verschiedene Transistoren auf
Avalanchequalität getestet und verglichen haben.
Ich persönlich habe eine Menge von 2N3019 von verschiedenen Herstellern mit Erfolg verwendet.
Allerdings, man muss die Transistoren selektieren, die Sperrspannung kann zwischen 140 und 280V
variieren. Aus 100 Stück lassen sich die 14 bis 15 Stück mit wenig abweichender
Spannungsfestigkeit um die 240V aussuchen.
In dem Bericht ERL-0154-TM wurde gute Erfahrung mit 2N5192 berichtet. Andere Entwickler
empfehlen 2N2222.
Anschliessend die Tabelle der schnellen Avalancheschalter:
2N697
2N910
2N2102
2N2218
2N2222
2N2484
2N3019
2N3055
2N3503
2N3569
2N3641
60V
100V
120V
75V
75V
60V
140V
100V
-60V
40V
60V
1A
0.35A
1A
0.8A
0.8A
0.05A
1A
15A
0.6A
0.5A
0.5A
TO5
TO18
TO5
TO5
TO5
TO18
TO5
TO3
TO5
TO105
TO105
BC 141
2N3643
BC 300
BC879
BCX 22
BCX 56
2N4400
2N5192
2N3707
100V
60V
120V
100V
125V
100V
60V
80V
30V
1A
0.5A
1A
1A
0.8A
1A
0.5A
4A
0.05A
TO39
TO105
TO39
TO92
TO18
SOT89
TO92
SOT32
TO92
Die Spannungen sind vom Hersteller zum Hersteller anders verteilt, man muss selbst die
Transistoren sortieren. Dazu braucht man eine ganz einfache Einrichtung:
Ein Trenntrafo ist für die Sicherheit unumgänglich. Für die Testschaltung braucht man die kleinste
Ausführung, die Ausgangspannung soll man so hoch, wie möglich einstellen (es gibt oft dafür die
Anzapfungen an der Wicklung). Die Diode 1N4007 soll aus der Ausgangsspannung unipolare
Halbwellen erzeugen, wie im Bild:
Der Spitzenwert soll etwa 380V erreichen.
Am Testkopf bekommen wir dann die Avalancheschwingungen, die Frequenz ist durch R1 und C1
vorgegeben.
Die Schwingungen beginnen immer, wenn die Avalanchespannung des Transistors erreicht ist.
Während der Messzeit, also einer Halbperiode der Netzspannung, soll die Amplitude konstant
bleiben. Eine Änderung bedeutet, dass im Transistor hot spots entstehen und damit er nicht geeignet
ist.
Hier noch etwas schnellere Betrachtung:
Die Durchbrüche dauern unter 5 ns, also mit dem Tastkopf und 150 Mhz Oszillograph nicht mehr
exakt messbar.
Die Versuchsanordnung ist hier:
Mit dem 100 pF als C1 ergibt sich die Frequenz von etwa 100 kHz. Die Testlast kann erhöht werden
mit C1 6,8 nF, so entstand auch das Bild oben.
Wie man auch sieht, als Trenntrafo dienen zwei Printtrafos 220V/15V/18V hitereinander geschaltet.
Und nun die fertige Schaltung mit Schaltzeit unter 5 ns und 3,2 kV Impulshöhe.
Die verwendete Transistoren sind alle 2N3019.
Die Widerstände R2 bis R15 kann man variieren nach der Avalanchespannung einzelner
Transistoren, damit die Spannungsreserve für jeden Transistor immer gleich bleibt.