專利名稱：高功率激光二極管驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光二極管驅(qū)動(dòng)器，特別涉及一種利用具有類似可控硅結(jié)構(gòu)的開關(guān)的單片半導(dǎo)體器件的高功率激光二極管驅(qū)動(dòng)器。
我們?cè)谖礇Q的韓國(guó)專利申請(qǐng)第94—5493號(hào)中已經(jīng)提出了一種利用單片半導(dǎo)體器件的高功率、高脈沖重復(fù)頻率(PRF)、小型的脈沖激光二極管驅(qū)動(dòng)器?？梢园堰@種將儲(chǔ)能電容器和光激勵(lì)的半導(dǎo)體開關(guān)集成在一個(gè)單片高阻半導(dǎo)體晶片襯底上，以減小寄生電感和寄生電容的影響。結(jié)果，就得到了一種具有快速導(dǎo)通、截止時(shí)間短和高PRF的脈沖化高功率激光驅(qū)動(dòng)器。
理想工作條件下，輸出的激光脈沖寬度是由在儲(chǔ)能的非均勻阻抗條狀線(stripline)中的雙向波(two—way wave)渡越時(shí)間決定。另外，非均勻阻抗條狀線引發(fā)電流增益。所以，利用非均勻阻抗條狀線結(jié)構(gòu)作為儲(chǔ)能電容器并利用光激勵(lì)半導(dǎo)體開關(guān)作成開關(guān)對(duì)產(chǎn)生高峰值功率、高PRF、具有極狹脈寬的激光脈沖是很有效的方法。
然而，這種器件的工作取決于光激勵(lì)半導(dǎo)體開關(guān)，而它需要觸發(fā)光能去接通該開關(guān)。通常，隨著普通的光激勵(lì)開關(guān)功率容量增大，所需的觸發(fā)光能強(qiáng)度也迅速上升。結(jié)果，與光激勵(lì)器件有關(guān)的觸發(fā)激光驅(qū)動(dòng)器的能力和性能迅速降低。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種利用具有與可控硅類似結(jié)構(gòu)的開關(guān)，這種開關(guān)能實(shí)現(xiàn)高可靠、高效率和高PRF的單片半導(dǎo)體器件的高功率脈沖激光二極管驅(qū)動(dòng)器。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)提供一種包括集成在一片襯底上的一個(gè)儲(chǔ)能電容器和光激勵(lì)半導(dǎo)體開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的，而其中光激勵(lì)半導(dǎo)體開關(guān)具有與可控硅類似的結(jié)構(gòu)。
參照附圖，從下面的實(shí)施例的說(shuō)明中，本發(fā)明的其他目的和方案將變得更清楚。


圖1是依照本發(fā)明的激光二極管驅(qū)動(dòng)器的方框圖；圖2a和2b說(shuō)明依照本發(fā)明的一種由儲(chǔ)能介質(zhì)和一個(gè)光激勵(lì)縱向半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成的光激勵(lì)單片半導(dǎo)體器件，其中圖2a是單片半導(dǎo)體器件的平面圖，以及圖2b是沿圖2a的線A—A所得的剖面圖；圖2c和2d說(shuō)明依照本發(fā)明的另一種由儲(chǔ)能介質(zhì)和一個(gè)光激勵(lì)橫向半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成的光激勵(lì)單片半導(dǎo)體器件，其中圖2c是單片半導(dǎo)體器件的平面圖，以及圖2d是沿圖2c的線A—A所得的剖面圖；圖3a至3c說(shuō)明依照本發(fā)明的光激勵(lì)單片半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體開關(guān)，其中圖3a是具有P+—n—i—p—n+結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體開關(guān)的平面圖，圖3b是平衡狀態(tài)下的半導(dǎo)體開關(guān)能帶圖，以及圖3c是正向偏壓狀態(tài)下的半導(dǎo)體開關(guān)能帶圖；圖4a至4c是分別說(shuō)明依照本發(fā)明的激光二極管驅(qū)動(dòng)器的能量流用圖形表示的順序的波形圖。
圖1是將本發(fā)明應(yīng)用于高功率脈沖激光二極管驅(qū)動(dòng)器的方框圖。如圖1所示，該脈沖激光驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)控制單元100、一個(gè)電功率調(diào)節(jié)和脈沖充電單元200、一個(gè)觸發(fā)光源和驅(qū)動(dòng)單元300、一個(gè)光激勵(lì)單片半導(dǎo)體單元400以及一個(gè)高功率激光陣列單元500。
控制單元100控制從輸入級(jí)引入的信號(hào)，并將此控制信號(hào)送到電功率調(diào)節(jié)和脈沖充電單元200。此控制單元100也把信號(hào)加到觸發(fā)光源和驅(qū)動(dòng)單元300。
電功率調(diào)節(jié)和脈沖充電單元200靠從控制單元100來(lái)的信號(hào)調(diào)節(jié)由AC電源或電池取得的起始電能，而后將一定的能量送給觸發(fā)光源和驅(qū)動(dòng)單元300。此電功率調(diào)節(jié)和脈沖充電單元200也將一定的能量供給光激勵(lì)單片半導(dǎo)體單元400。
觸發(fā)光源和驅(qū)動(dòng)單元300用以觸發(fā)由電功率調(diào)節(jié)和脈沖充電單元200接受的起始電能，從而在單片半導(dǎo)體單元400輸出低或中功率的光學(xué)激光光線。
單片半導(dǎo)體單元400由一個(gè)用以存貯電能的儲(chǔ)能介質(zhì)和一個(gè)光激勵(lì)半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成，此開關(guān)用于在由從觸發(fā)光源和驅(qū)動(dòng)單元300接收到的激光導(dǎo)通時(shí)將容性充的靜電能轉(zhuǎn)換成高電流脈沖。此儲(chǔ)能介質(zhì)和半導(dǎo)體開關(guān)都集成在一片半導(dǎo)體襯底上。所說(shuō)光激勵(lì)半導(dǎo)體開關(guān)由一種類似可控硅結(jié)構(gòu)的p+—n—i—p—n+開關(guān)構(gòu)成。此開關(guān)在由從觸發(fā)光源和驅(qū)動(dòng)單元300收到的激光進(jìn)行其開關(guān)操作時(shí)使容性充電的靜電能轉(zhuǎn)變成高電流脈沖。
高功率激光陣列500將在光激勵(lì)單片半導(dǎo)體單元400中轉(zhuǎn)換成的高電流脈沖以高功率光脈沖的形式輸出。
由來(lái)自控制單元100的信號(hào)調(diào)節(jié)由AC電源或電池取得的起始電能，然后用于對(duì)單片半導(dǎo)體器件400的儲(chǔ)能介質(zhì)(例如電容器)進(jìn)行容性充電。隨著來(lái)自觸發(fā)光源和驅(qū)動(dòng)單元300的光學(xué)光被引入光激勵(lì)開關(guān)，此容性充電的靜電能就轉(zhuǎn)換成高電流脈沖而被送到高功率激光器陣列500。結(jié)果，此高功率激光器陣列500即輸出高功率光脈沖。
根據(jù)本發(fā)明，所說(shuō)的脈沖激光二極管驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用單片半導(dǎo)體器件，分別示于釁2a和2b，以及圖2c和2d，其中，它們都把儲(chǔ)能電容器和光激勵(lì)開關(guān)的功能合并在一片半導(dǎo)體襯底上。
每個(gè)單片半導(dǎo)體器件包括一個(gè)分離的匹配阻抗，而此阻抗與高功率激光器陣列500相連接。
所說(shuō)的光激勵(lì)單片器件由儲(chǔ)能介質(zhì)和縱向半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成，而此開關(guān)具有圖2a和2b所示的扇形非均勻條狀線結(jié)構(gòu)或具有圖2c和2d所示的同軸條形非均勻條狀線結(jié)構(gòu)。特別是，縱向開關(guān)結(jié)構(gòu)使得把縱向開關(guān)結(jié)構(gòu)合并成完整的圓形的單片器件的幾何形狀能夠擴(kuò)大。
所說(shuō)儲(chǔ)能電容器可通過(guò)使半導(dǎo)體襯底1的兩側(cè)的電極2金屬化而制成。此儲(chǔ)能電容器具有一種n—i—p結(jié)構(gòu)。單片儲(chǔ)能電容器的電容和此電容器中存儲(chǔ)的靜電能由下式給出C＝ε0×εr×A/d法拉(F)E＝C×V2/2焦耳(J)其中ε0是材料的介電常數(shù)，εr，電介質(zhì)材料的介電常數(shù)，A是電極的面積，d是器件的厚度，而V是脈沖偏置電壓。從此單片器件輸出的預(yù)期的激光脈沖寬度可用下式表達(dá)PW=2×t={2×ϵr×L(cm)}/{3×1010(cm/s)}---(s)]]>其中，t是儲(chǔ)能介質(zhì)中的雙向波形渡越時(shí)間；L是儲(chǔ)能介質(zhì)的內(nèi)、外邊緣之間電極的長(zhǎng)度。
圖3a示出了按照本發(fā)明的單片半導(dǎo)體器件的類似可控硅的半導(dǎo)體開關(guān)。此半導(dǎo)體開關(guān)具有p+—n—i—p—n+結(jié)構(gòu)。圖3b給出了平衡狀態(tài)下與可控硅類似的半導(dǎo)體開關(guān)的能帶圖。另一方面，圖3c表示通常正向偏置工作狀態(tài)下與可控硅類似的半導(dǎo)體開關(guān)的能帶圖。
如圖3c所示，在通常正向偏置工作狀態(tài)下，由高摻雜的p1+和n1層產(chǎn)生的結(jié)J1，及由高摻雜的p2和n2+層產(chǎn)生的結(jié)J3成為正偏的pn結(jié)。因此，大部分偏置電壓降落在當(dāng)中的n—i—p二極管上。所以，在脈沖偏置期間，區(qū)域n1—i—p2(n—i—p二極管)起阻塞二極管的作用。
當(dāng)將觸發(fā)光脈沖引入類似可控硅的p+—n—i—p—n+結(jié)構(gòu)開關(guān)時(shí)，阻塞n—i—p二極管中就會(huì)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。這些光生電子—空穴對(duì)被電場(chǎng)分開，產(chǎn)生光電流。此光電流立即增大了i區(qū)的導(dǎo)電性，以致整個(gè)i層上的電壓急劇減小，而轉(zhuǎn)移到p1+—n1結(jié)和p2—n2+結(jié)處。由p1+結(jié)和p2—n+結(jié)來(lái)的載流子注入促進(jìn)了該開關(guān)導(dǎo)通。
通過(guò)向控制單元100發(fā)送工作指令，驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作啟動(dòng)，開始了一系列作用。首先，激發(fā)電功率調(diào)節(jié)和脈沖充電單元200。調(diào)節(jié)來(lái)自AC電源或電池的起始電功率，并用此電功率給光激勵(lì)單片半導(dǎo)體單元400的儲(chǔ)能介質(zhì)(即儲(chǔ)能電容器)脈沖充電。
當(dāng)脈沖偏置電壓達(dá)到峰值電壓時(shí)，觸發(fā)光源和驅(qū)動(dòng)單元300中觸發(fā)激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路就以很高的PRF產(chǎn)生快速上升時(shí)間觸發(fā)光脈沖，將所產(chǎn)生的觸發(fā)光脈沖引入單片半導(dǎo)體單元400類似可控硅的p+—n—i—p—n+開關(guān)。一旦此有適當(dāng)波長(zhǎng)和足夠光功率的觸發(fā)光線穿透進(jìn)入單片半導(dǎo)體單元400類似可控硅的p+—n—i—p—n+開關(guān)的有源區(qū)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生足夠多的光生電子—空穴對(duì)，從而啟動(dòng)開關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，并導(dǎo)致完全截止(導(dǎo)通)的一種開關(guān)狀態(tài)。
開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，在由脈沖偏置的單片器件的內(nèi)電極處的邊界條件就從高阻抗(斷開)狀態(tài)轉(zhuǎn)變成高導(dǎo)電(閉合)狀態(tài)。隨著內(nèi)電極邊界條件成為高導(dǎo)電狀態(tài)，存儲(chǔ)在單片半導(dǎo)體單元400的靜電能就變?yōu)樾胁ǎ_始流過(guò)開關(guān)，并以大電流脈沖形式傳送到高功率激光器陣列500。結(jié)果，高功率激光器陣列500就輸出脈沖寬度為PW(PW＝2×t={2×ϵr×L(cm)}/{3×1010(cm/s)},(s))]]>的激光脈沖。
圖4a至4c給出了能量流的相繼情況。
如上所述很明顯，本發(fā)明提供了一種使用具有p+—n—i—p—n+開關(guān)結(jié)構(gòu)的單片光激勵(lì)半導(dǎo)體器件的高功率激光二極管驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)本發(fā)明，此單片半導(dǎo)體器件包括用以存儲(chǔ)電能的儲(chǔ)能介質(zhì)和光激勵(lì)半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成，此半導(dǎo)體開關(guān)使容性充電的靜電能在開關(guān)被激光變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)轉(zhuǎn)換成大電流脈沖。借助這種結(jié)構(gòu)，此單片光激勵(lì)半導(dǎo)體器件能產(chǎn)生大幅度電流脈沖。
本單片器件具有增益機(jī)制以及把電路的有害效應(yīng)，諸如寄生電感、電容等降至最低。另外，由一個(gè)來(lái)自低(或中等)功率激光二極管的觸發(fā)光脈沖使開關(guān)導(dǎo)通達(dá)到極快的上升與下降時(shí)間。因此，本發(fā)明所提出的驅(qū)動(dòng)器能在高PRF下以快速上升時(shí)間和快速下降時(shí)間產(chǎn)生高功率激光輸出脈沖。
雖然為說(shuō)明起見已披露了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員都明白可以有各種各樣的添加和替代，而不會(huì)脫離由所附權(quán)利要求書揭示的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
權(quán)利要求
1.一種激光二極管驅(qū)動(dòng)器，包括集成在一片襯底上的一個(gè)儲(chǔ)能電容器和一個(gè)光激勵(lì)半導(dǎo)體開關(guān)，其中，所說(shuō)光激勵(lì)半導(dǎo)體開關(guān)具有一種類似可控硅的結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1的激光二極管驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所說(shuō)類似可控硅的結(jié)構(gòu)是p+—n—i—p—n+結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種利用將儲(chǔ)能電容器和光激勵(lì)的類似可控硅結(jié)構(gòu)的p
文檔編號(hào)H01S5/042GK1120752SQ9510504
公開日1996年4月17日 申請(qǐng)日期1995年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月18日
發(fā)明者鄭亨東 申請(qǐng)人:科斯默激光株式會(huì)社