一種光控半導體開關制造技術

本實用新型專利技術公開了一種光控半導體開關。所述的光控半導體開關的內部包括從上至下依次排列的屏蔽地電極、片式半導體激光器、激光分光耦合器、大面積半導體單元和屏蔽高壓電極，在片式半導體激光器、激光分光耦合器的間隙內連接有取電模塊或升壓模塊，光控半導體開關的側面包裹有絕緣封裝外殼，絕緣封裝外殼與屏蔽電極共同構成光控半導體開關封裝外殼；光控半導體開關的供電與觸發信號接口伸出光控半導體開關封裝外殼。本實用新型專利技術的光控半導體開關可以用于高功率脈沖電源、緊湊型高功率脈沖組件、小體積高能量脈沖觸發等多種場合，具有功率容量高、可靠性高、壽命長、體積小等多種優勢。

An optical semiconductor switch

【技術實現步驟摘要】
一種光控半導體開關
本技術屬于脈沖功率
，具體涉及一種光控半導體開關。
技術介紹
隨著高功率脈沖電源、高功率脈沖組件等提出了長壽命、快前沿、高可靠性、緊湊等方面的要求，具有該類優勢的新型固態型開關技術十分重要。現有的電控型功率半導體開關由于觸發結構與主回路結構無法分離，導致耐壓水平、可靠性、抗反峰能力較差，限制了其在高功率場合的應用；現有的光控晶閘管，其開通速度較慢，無法應用于脈沖功率場合；現有的光導開關較大程度依賴于脈沖充電附屬系統或較大體積的激光系統，無法適應小型化的要求。
技術實現思路
有鑒于此，本技術旨在提供一種光控半導體開關。本技術具體采用如下技術方案：一種光控半導體開關，其特點是，所述的光控半導體開關的內部包括從上至下依次排列的屏蔽地電極、片式半導體激光器、激光分光耦合器、大面積半導體單元和屏蔽高壓電極，在片式半導體激光器、激光分光耦合器的間隙內連接有取電模塊或升壓模塊，光控半導體開關的側面包裹有絕緣封裝外殼，絕緣封裝外殼與屏蔽電極共同構成光控半導體開關封裝外殼；光控半導體開關的供電與觸發信號接口伸出光控半導體開關封裝外殼；屏蔽電極置于光控半導體開關的兩端。優選的，所述的片式半導體激光器包括分布式半導體激光單元和大電流激光驅動模塊；所述的分布式半導體激光單元與大面積半導體單元相匹配；所述的大電流激光驅動模塊中的大電流開關器件采用功率半導體器件。功率半導體器件包括但不限于MCT、IGBT、功率MOSFET。優選的，所述的大面積半導體單元為陣列排列的多元胞，每個元胞的結構形式為以下任意一種：a.具有一個光門極的元胞；b.具有二個以上的光門極的元胞；c.具有一個光陰極的元胞；d.具有二個以上的光陰極的元胞；e.具有一個光陰極和一個光門極的元胞；f.具有一個的光陰極和二個以上的光門極的元胞；g.具有一個的光門極和二個以上的光陰極的元胞；h.具有二個以上的光門極和二個以上的光陰極的元胞；其中，所述的光陰極為吸收光子產生光生載流子的半導體結構，光陰極的基底為半導體材料，在半導體材料上擴散有N型雜質；所述的光門級為吸收光子產生光生載流子的半導體結構，光門級的基底為半導體材料，在半導體材料上擴散有P型雜質。優選的，所述的光陰極或光門極上蒸鍍有增透膜。優選的，所述的多元胞的陣列形狀為扇形、圓形、方形、多邊形、環形或半環形中的一種。優選的，所述的激光分光耦合器為凹透鏡、衍射分光鏡或光纖中的一種。優選的，所述的取電模塊通過高壓供電端取電。優選的，所述的升壓模塊采取高頻升壓方式進行供電。優選的，所述的絕緣封裝外殼的材料為絕緣復合陶瓷。優選的，所述的絕緣封裝外殼中間嵌入有金屬材料，端部有金屬化層。本技術的光控半導體開關中的屏蔽電極是置于光控半導體開關兩端的電連接電極，一方面具有連接芯片與外電路的功能，另一方面作為光控半導體開關封裝外殼的一部分，還具備一定電磁屏蔽與輻射防護的功能。本技術的光控半導體開關可大幅度提高激光利用效率大幅度提高開關導通速度、增加電流導通均勻性、提高了抗電磁干擾能力、減小開關體積、減小延遲抖動，較之于真空觸發管、場控晶閘管、脈沖晶閘管、光控晶閘管等具有更良好的綜合性能，尤其是在高電壓、大電流、長壽命與高可靠性方面，具有突出的優勢。附圖說明圖1為本技術的光控半導體開關的拓撲結構示意圖；圖2為本技術的光控半導體開關中的大面積半導體單元結構示意圖；圖3a為本技術的光控半導體開關中扇形匯流排布多元胞陣列示意圖；圖3b為本技術的光控半導體開關中蜂窩排布多元胞陣列示意圖；圖3c為本技術的光控半導體開關中等間距圓形排布多元胞陣列示意圖；圖3d為本技術的光控半導體開關中方形等間距排布多元胞陣列示意圖；圖3e為本技術的光控半導體開關中切分環排布多元胞陣列示意圖；圖3f為本技術的光控半導體開關中大規模圓形均布多元胞陣列示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例詳細說明本技術。如圖1所示，本技術的光控半導體開關的內部包括從上至下依次排列的屏蔽地電極、片式半導體激光器、激光分光耦合器、大面積半導體單元和屏蔽高壓電極，在片式半導體激光器、激光分光耦合器的間隙內連接有取電模塊或升壓模塊，光控半導體開關的側面包裹有絕緣封裝外殼，絕緣封裝外殼與屏蔽電極共同構成光控半導體開關封裝外殼；光控半導體開關的供電與觸發信號接口伸出光控半導體開關封裝外殼。所述的片式半導體激光器包括分布式半導體激光單元和大電流激光驅動模塊；所述的分布式半導體激光單元與大面積半導體單元相匹配；所述的大電流激光驅動模塊中的大電流開關器件采用功率半導體器件。功率半導體器件包括但不限于MCT、IGBT、功率MOSFET。如圖3a～圖3f所示，所述的大面積半導體單元為陣列排列的多元胞，每個元胞的結構形式為以下任意一種：a.具有一個光門極的元胞；b.具有二個以上的光門極的元胞；c.具有一個光陰極的元胞；d.具有二個以上的光陰極的元胞；e.具有一個光陰極和一個光門極的元胞；f.具有一個的光陰極和二個以上的光門極的元胞；g.具有一個的光門極和二個以上的光陰極的元胞；h.具有二個以上的光門極和二個以上的光陰極的元胞。如圖2所示，所述的光陰極為吸收光子產生光生載流子的半導體結構，光陰極的基底為半導體材料，在半導體材料上擴散有N型雜質；所述的光門級為吸收光子產生光生載流子的半導體結構，光門級的基底為半導體材料，在半導體材料上擴散有P型雜質。所述的光陰極或光門極上蒸鍍有增透膜。所述的多元胞的陣列形狀為扇形、圓形、方形、多邊形、環形或半環形中的一種。所述的激光分光耦合器為凹透鏡、衍射分光鏡或光纖中的一種。所述的取電模塊通過大面積半導體單元的陽極進行取電，即通過高壓供電端取電。所述的升壓模塊通過外接的低壓直流電供電，采取高頻升壓方式進行供電，升壓模塊升壓后的電壓范圍為20V～2000V。所述的絕緣封裝外殼的材料為絕緣復合陶瓷，絕緣封裝外殼外部具備高壓絕緣能力；絕緣封裝外殼端部直接金屬化，具備密封焊接能力；絕緣陶瓷內部含有金屬層，具備電磁屏蔽與輻射防護的能力。本技術的光控半導體開關是一種新型高功率半導體開關，通過片式半導體激光器產生高功率激光脈沖，再通過激光分光耦合器，將激光均勻地照射到大面積半導體單元。激光脈沖照射并穿透到大面積半導體單元的光門極和光陰極，在光門極和光陰極上，產生大量光生載流子，光生載流子在電場的輔助作用下，迅速擴散和加速移動，并形成倍增，大面積半導體單元的電陰極和電陽極迅速導通，實現高功率容量的開通作用。實施例1在屏蔽地電極和屏蔽高壓電極之間施加高壓電，高壓電的電壓范圍為1kV本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種光控半導體開關，其特征在于，所述的光控半導體開關的內部包括從上至下依次排列的屏蔽地電極、片式半導體激光器、激光分光耦合器、大面積半導體單元和屏蔽高壓電極，在片式半導體激光器、激光分光耦合器的間隙內連接有取電模塊或升壓模塊，光控半導體開關的側面包裹有絕緣封裝外殼，絕緣封裝外殼與屏蔽電極共同構成光控半導體開關封裝外殼；光控半導體開關的供電與觸發信號接口伸出光控半導體開關封裝外殼；屏蔽電極置于光控半導體開關的兩端。/n

【技術特征摘要】
1.一種光控半導體開關，其特征在于，所述的光控半導體開關的內部包括從上至下依次排列的屏蔽地電極、片式半導體激光器、激光分光耦合器、大面積半導體單元和屏蔽高壓電極，在片式半導體激光器、激光分光耦合器的間隙內連接有取電模塊或升壓模塊，光控半導體開關的側面包裹有絕緣封裝外殼，絕緣封裝外殼與屏蔽電極共同構成光控半導體開關封裝外殼；光控半導體開關的供電與觸發信號接口伸出光控半導體開關封裝外殼；屏蔽電極置于光控半導體開關的兩端。


2.根據權利要求1所述的光控半導體開關，其特征在于，所述的片式半導體激光器包括分布式半導體激光單元和大電流激光驅動模塊；所述的分布式半導體激光單元與大面積半導體單元相匹配；所述的大電流激光驅動模塊中的大電流開關器件采用功率半導體器件。


3.根據權利要求1所述的光控半導體開關，其特征在于，所述的大面積半導體單元為陣列排列的多元胞，每個元胞的結構形式為以下任意一種：
a.具有一個光門極的元胞；
b.具有二個以上的光門極的元胞；
c.具有一個光陰極的元胞；
d.具有二個以上的光陰極的元胞；
e.具有一個光陰極和一個光門極的元胞；
f.具有一個的光陰極和二個以上的光門極的元胞；
g.具有一個的光門極和二個以上的光陰極的元胞；
...

【專利技術屬性】
技術研發人員：謝衛平，袁建強，王凌云，劉宏偉，
申請(專利權)人：中國工程物理研究院流體物理研究所，
類型：新型
國別省市：四川;51