CN112117976B - 一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，目的是解决现有放大电路输出功率低、放大效率低的问题。技术方案是先构建由两个电源、两个脉冲形成器件、两个宽带隙半导体器件、两个限流电阻、负载电阻和接地端组成基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路；两路激光脉冲与两个直流电源产生的电压同时作用于放大电路中的2个宽带隙半导体器件；2个宽带隙半导体器件在光电信号激励下作为光控可变电阻工作，其导通电阻随高能脉冲簇激光的光强成线性变化，使得输出的电流和光强呈正比例变化，使得光电微波放大。本发明放大电路结构简单，工作电压高，微波输出功率高，既消除了单极性限制，又有效解决了输出功率低的问题。

Description

一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域，尤其是涉及一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法。

背景技术

为了应对信息化条件下的电磁环境日益复杂以及新波形、新频谱不断涌现的情况，亟需发展参数灵活可调的新型自适应微波源。产生高功率微波的传统方法已经发展四十余年，它主要采取脉冲功率装置与相对论电真空器件相结合的方式，通常存在输出微波参数固定、频点单一或难以调节等问题。一方面，这是由于相对论真空器件通常工作频率范围较窄，并且采用机械结构，参数调节相对困难。另一方面，电真空器件运行的前提为真空环境，这导致基于该技术路线设计的微波产生器件体积庞大，也阻碍了当前微波产生器件小型化、紧凑化的发展趋势。

随着微波光子学的兴起和无电子束的固态高功率微波器件的发展，利用宽带隙半导体器件进行微波放大的方案得到了广泛的关注。对于微波放大器，一个关键问题是如何提升其电路效率。在射频与微波波段，放大器主要分为A、B、AB等几类。如为有源器件配置不同的偏置条件，就可使放大器工作在不同状态(即A、B、AB等几类)。

A类放大电路中通常含有隔直电容，无法放大不同极性的周期性脉冲信号，仅能单极性输出，即工作时放大输出信号要么为正，要么为负。此外，A类电路中含有直流分量，所对应的直流功率无法通过射频辐射输出，只能在电路中耗散。即使在阻性负载、没有功率耗散和匹配网络损耗的理想条件下，其漏极效率(即传递到负载的射频功率与直流功率的比值，通常被用以衡量微波放大器的放大能力)最高也仅为50％。因此，A类放大电路通常用于非饱和区的小信号线性放大，不适用于高功率微波放大。

AB类推挽式微波放大器介于A类与B类之间，可以双极性输出，广泛运用于单端功率放大，理论漏极效率比A类电路高，达78.5％。然而，AB类更适用于点对点式射频功率放大的效率提升，在高频工作条件下实际运行效率低，例如，对于X波段微波信号而言，其实际效率仅为20％。这主要是由于AB类推挽式微波放大器需要同时使用n型和p型晶体管才能形成推挽对，而电子与空穴的迁移率差异较大，使得n型晶体管的跨导比p型晶体管大一个数量级，因此需要更大的直流输入功率，从而降低了实际放大效率。

文献“Optoelectronic Class AB Microwave Power Amplifier(AB类光电微波放大器)，Conference Record of the 2006Twenty-Seventh International PowerModulator Symposium(第27届国际功率调制器会议记录),2006,第146-149页”中提出了利用基于宽带隙半导体的光导开关(即宽带隙半导体器件)代替传统功率放大电路中的晶体管等电子元件，构建具有AB类推挽放大电路的光导微波放大器的想法，仿真显示宽带隙半导体器件能够产生10GHz的单频微波，如图1所示。该AB类光电微波放大器由两个高压直流电源(51,52)、两个宽带隙半导体器件(71,72)、负载电阻93和接地端10组成。第一高压直流电源51为可调正高压直流电源，第二高压直流电源52为可调负高压直流电源，两者除极性外参数相同。第一宽带隙半导体器件71与第二宽带隙半导体器件72器件尺寸、封装相同，衬底材料及其掺杂相同，均采用轻掺杂GaAs材料。第一路输入激光脉冲81和第二路输入激光脉冲82均为50ps宽、100ps间隔(即10GHz)的三角形脉冲序列，初始时间延迟相差50ps。第一高压直流电源51与第一宽带隙半导体器件71通过耐高压导线相连，第一宽带隙半导体器件71由第一路输入激光脉冲81激励，构成第一分路；第二高压直流电源52与第二宽带隙半导体器件72通过耐高压导线相连，第二宽带隙半导体器件72由第二路输入激光脉冲82激励，构成第二分路。第一分路和第二分路相并联，然后与负载电阻93串联，负载电阻93与接地端10相连。负载电阻93输出所期望的射频信号。

相比于传统微波放大电路，图1所示的基于宽带隙半导体宽带隙半导体器件的AB类光电微波放大器能够消除以往电驱动带来的晶体管极性限制，并且可以达到78.5％的理论漏极效率；在激光激励下，无需使用与输入信号匹配的网络和栅极偏置电路，降低了电路的复杂性。然而，由于文献报道中GaAs衬底的厚度非常薄，允许的偏置电压限制在几伏，所以输出功率仅为几瓦，尚不能满足微波高功率输出的需求；此外，负载电阻93上的输出信号明显失真且难以被消除。

对于传统微波放大电路而言，当放大器工作在B类时，晶体管偏置使得有源器件仅导通半个射频周期，即导通180°。该类可通过单端式和推挽式(使用两级单端式放大器)两种典型结构实现。单端B类放大器线性度较差，造成输出失真。在射频与微波段，B类推挽式放大结构更为适用。在B类推挽式放大结构中，如将宽带隙半导体器件作为有源器件，则两个宽带隙半导体器件共用输出负载，每个宽带隙半导体器件只导通半个周期，整体上使放大器在周期内能够持续输出功率。在为宽带隙半导体器件选择合适的输出匹配条件下，该放大结构能够拥有良好线性度、大增益、高输出功率以及高效率(理论可达78.5％，实际可达60％)。因此，基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路在未来的高功率微波放大领域中具有巨大前景。但是目前尚无利用该技术实现高功率微波放大的技术方案的公开报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，以解决利用半导体器件产生微波这一技术方案中尚存有的输出功率低、放大效率低的问题，能够优化电路结构，有效减少电功率损耗，实现光电微波放大器的高输出功率与高效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：在传统B型微波放大电路基础上，将宽带隙半导体器件作为有源器件，构建基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路。利用时间互补的两路激光脉冲序列来触发宽带隙半导体器件，同时施加kV级偏置电压，使宽带隙半导体器件工作在线性模式(在线性工作模式下，一个光子进入宽带隙半导体器件，相应地，就会在器件内部产生一对空穴-电子对，电子在外加电压产生的电场作用下移动，进而形成电流；这种模式产生的电流和入射激光有一致的波形和频率，且该频率最高为半导体晶片载流子复合时间的倒数)，在光电信号激励下进行光电微波放大。该电路可以输出和入射激光频率相同的高频率、高功率电信号。由于宽带隙半导体器件的载流子复合时间短，在1ns量级，因此输出电信号频率可达GHz频段；在改善宽带隙半导体内部掺杂、提升光电转换效率条件下，单个宽带隙半导体器件工作电压达kV级时，输出电功率可达MW量级。

本发明的具体技术方案包括以下步骤：

第一步，构建基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路，基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路由两个电源(即第一电源和第二电源)、两个脉冲形成器件(即第一脉冲形成器件和第二脉冲形成器件)、两个宽带隙半导体器件(即第一宽带隙半导体器件和第二宽带隙半导体器件)、两个限流电阻、负载电阻和接地端组成。

第一电源与第一脉冲形成器件通过耐高压导线相连，第一脉冲形成器件与第一宽带隙半导体器件宽阳极端通过耐高压导线相连；第一宽带隙半导体器件由第一路输入激光脉冲所激励，第一宽带隙半导体器件阴极端与第一限流电阻通过耐高压导线相接，构成第一分路。

第二电源与第二脉冲形成器件通过耐高压导线相连，第二脉冲形成器件与第二宽带隙半导体器件阳极端通过耐高压导线相连；第二宽带隙半导体器件由第二路输入激光脉冲所激励，第二宽带隙半导体器件阴极端与第二限流电阻通过耐高压导线相接，构成第二分路。

第一分路和第二分路相并联，然后与负载电阻串联，负载电阻与接地端相连。

第一电源和第二电源均为高压直流电源，除输出电压极性相反外，其余电学参数相同，分别输出幅值相同的一正一负共两个直流电压信号。输出电压最大值应不低于20kV，并且可调谐。这样的设置有利于实现推挽放大，减少信号失真。

第一脉冲形成器件和第二脉冲形成器件可以是相同的脉冲形成线或者是相同的脉冲形成网络，对于第一分路或第二分路，第一脉冲形成器件和第二脉冲形成器件的特性阻抗应与其所处分路中的宽带隙半导体器件在激光辐照下的导通态最小电阻相同。第一脉冲形成器件和第二脉冲形成器件优选固态脉冲形成线或固态脉冲形成网络，要求输出方波脉冲，脉冲宽度为几十或几百ns，触发抖动、延时抖动和上升时间抖动均应为亚ns量级，击穿电压应高于30kV，第一脉冲形成器件和第二脉冲形成器件可以为同轴型或平板型固态脉冲形成线，或固态脉冲形成网络。

第一宽带隙半导体器件和第二宽带隙半导体器件结构完全相同，均由半导体晶片、两个电极(即中空金属电极和实心金属电极)、填充材料和支撑结构四个部分组成。半导体晶片和中空金属电极、实心金属电极连接构成对面正入光型高功率宽带隙半导体器件，与申请号为201710616299.7的专利“对面正入光型高功率宽带隙半导体器件及其制作方法”中描述的“对面正入光型高功率宽带隙半导体器件”结构相同：半导体晶片采用多层电极结构，半导体晶片由耐高压钝化层、金属环、N层相同的半导体衬底、N层相同的透明导电层和镀银层构成。半导体晶片中的N层半导体衬底使用高电阻半导体作为衬底材料，在第一层半导体衬底正面上制备第一层透明导电层,在第一层透明导电层上制备具有增透效果的耐高压钝化层，耐高压钝化层的四周有一个金属环紧贴第一层透明导电层，金属环的上面紧贴中空金属电极；N层半导体衬底通过N层透明导电层间次连接(即每相邻2层半导体衬底之间有1层透明导电层)；第N层半导体衬底3N背面制备有具有高反射率的镀银层，镀银层与实心金属电极连接。第n透明导电层和第n半导体晶片的正面和背面面积相同。

半导体衬底可以是方形薄片或圆形薄片，厚度h为0.01mm～0.1mm，为方形薄片时边长a为1mm～50mm，为圆形薄片时直径D1为1mm～50mm。半导体衬底的材料选择宽带隙半导体，如4H-SiC、6H-SiC或2H-GaN，耐压要求为3-4MV/cm，晶体载流子的复合时间小于1ns。

中空金属电极和实心金属电极为圆柱状，材料可以是不锈钢或黄铜；半导体晶片的边长a(或直径D1)与中空金属电极的直径D2的比保持在1～1.5之间，实心金属电极的直径＝D2；中空金属电极和实心金属电极与半导体晶片的连接采用导电银胶相粘接，通过烘烤后使银胶固化。

支撑结构是用聚四氟乙烯材料加工成的矩形无盖无底盒子。中空金属电极穿过支撑结构的第一侧面，一端与半导体晶片中的第一层半导体衬底正面的金属环粘接，另一端与第一脉冲形成器件或第二脉冲形成器件的输出端相连；实心金属电极的一端与半导体晶片中的第N层半导体衬底的背面镀银层粘接，另一端穿过支撑结构的第二侧面。第一宽带隙半导体器件的支撑结构与第一限流电阻的输入端相连，第二宽带隙半导体器件的支撑结构与第二限流电阻的输入端相连；半导体晶片、中空金属电极、实心金属电极和支撑结构之间有填充材料，填充材料要求完全覆盖半导体晶片、中空金属电极、实心金属电极，填充材料要求平均耐受场强≥40kV/mm，当光波长200nm～1200nm时，光的透过率大于99％，填充材料优选环氧树脂。

作用于第一宽带隙半导体器件和第二宽带隙半导体器件的第一激光脉冲和第二激光脉冲应为两路激光脉冲，可以是一对相位差为180°(即时间互补)的正弦(三角、高斯)激光脉冲，激光频率可调，在0.1GHz～10GHz范围内，可以是自由空间输出或光纤输出。

第一限流电阻和第二限流电阻阻值相同，可以选用阻值大于10kΩ、功率容量大于50W的黄金铝壳电阻，避免工作电流超过电路中任一元件的电流阈值。

负载电阻的阻值应和第一分路、第二分路并联后形成的等效阻抗相同，以实现输出阻抗匹配。输出阻抗应与等效阻抗匹配，以在负载电阻上获得最大增益、最大输出功率和最大效率。

第二步，第一激光脉冲和第二激光脉冲与直流电压同时作用于基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路中的第一宽带隙半导体器件和第二宽带隙半导体器件。

2.1开启激光器电源，经过几分钟调试预热后，得到稳定输出的激光脉冲信号。激光脉冲可以在被激光器输出后通过自由空间或光纤的方式进行传输。激光脉冲由激光器输出后，通过空气或者光纤传输，然后穿过中空金属电极，接着照射于半导体晶片的耐高压钝化层上。奇数序列脉冲(1，3，……)作为第一激光脉冲作用于第一宽带隙半导体器件，偶数序列脉冲(2，4，……)作为第二激光脉冲作用于第二宽带隙半导体器件。奇数序列脉冲与偶数序列脉冲之间的初始时间延迟固定，延迟设置在10ps～10ns范围内，可以通过激光器本身设置或者构建延时分光路、电光调制等不同方式实现。

2.2设置第一电源和第二电源的输出电参数，使其输出电流幅值相同，并同时开启第一电源和第二电源。第一电源产生的直流电压通过第一脉冲形成器件后被整流成脉冲特性相同的方波电压，脉宽为几十到几百ns，作用于第一宽带隙半导体器件。第二电源产生的直流电压通过第二脉冲形成器件后被整流成脉冲特性相同的方波电压，脉宽为几十到几百ns，作用于第二宽带隙半导体器件。需注意的是，在第一激光脉冲和第二激光脉冲开始辐照时第一电源和第二电源才施加直流电压，以确保第一激光脉冲和第二激光脉冲与第一电源和第二电源的直流电压同时作用于第一宽带隙半导体器件和第二宽带隙半导体器件上。

第三步，基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路在光电信号激励下进行光电微波放大。

3.1第一激光脉冲和第二激光脉冲均通过空气或者光纤、再通过中空金属电极均匀照射到半导体晶片正面的耐高压钝化层上后，依次入射第一透明导电层、第一层半导体衬底，第二透明导电层，第二层半导体衬底，…，第n透明导电层，第n层半导体衬底，…，第N透明导电层，第N层半导体衬底，此时第一宽带隙半导体器件、第二宽带隙半导体器件作为光控可变电阻工作，其导通电阻随高能脉冲簇激光的光强成线性变化，第一宽带隙半导体器件、第二宽带隙半导体器件工作在线性模式，即一个光子入射进N层半导体衬底内产生一对空穴电子对，电子在外加电压产生的电场的作用下移动，进而产生电流；这种模式产生的电流和入射激光有一致的波形和频率；该工作模式根据欧姆定律“I＝U/R”，调制过程中脉冲电压U不变，电阻R随光强呈反比例变化，因此第一宽带隙半导体器件输出的电流I1和光强呈正比例变化，第二宽带隙半导体器件输出的电流I2和光强也呈正比例变化。

3.2第一激光脉冲和第二激光脉冲激光时间互补、外加电压互为反向，使第一宽带隙半导体器件、第二宽带隙半导体器件在一个激光信号周期内轮番导通。第一宽带隙半导体器件或第二宽带隙半导体器件的单次导通时间与激光单次脉冲持续时间相当，因此，第一宽带隙半导体器件输出的电流I1与第二宽带隙半导体器件输出的电流I2均为周期性变化的电流，且电流变化周期与激光信号周期近似相等。

3.3第一宽带隙半导体器件输出的电流I1经过第一限流电阻、第二宽带隙半导体器件输出的电流I2经过第二限流电阻之后汇合，得到汇合电流。

3.4汇合电流流过负载电阻，得到调制为激光脉冲调制频率两倍的高频电信号，频率在GHz量级，意味着单个电脉冲持续时间小于1ns，在外加直流电功率的激励下，负载电阻上的高频电信号同时具有高功率特性，可达MW量级，实现光电高功率微波放大。若在负载电阻和接地端之间接辐射输出组件(如喇叭天线、抛物面天线)，辐射输出组件可将光电放大的微波信号向外辐射。

3.5第一激光脉冲和第二激光脉冲结束辐照，第一电源和第二电源随之关闭。

本发明相比基于脉冲功率和相对论真空电子管的传统高功率微波产生方法，和利用GaAs构建AB类放大电路产生微波信号的方法，具有以下优点：

1、本发明第一步设计的基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路结构简单，器件工作电压高，微波输出功率高，根据已进行的输出功率为50W的原理验证实验，未来输出功率可达1MW级，既消除了A类放大电路对微波放大的单极性限制，又有效解决了利用GaAs构建AB类推挽式微波放大电路存在的输出功率低的问题。

2、本发明拓展了B类推挽式放大电路在射频和微波频段内的应用范围，利用宽带隙半导体本身的材料优势，消除了传统晶体管放大电路存在的技术限制。此外，多层电极的半导体器件内部电场分布均匀，耐压高不易击穿，且可以输出高功率电信号。

3、本发明第三步输出的微波信号频率灵活可调,具有“智能化”优势。宽带隙半导体器件在线性工作模式下，一个光子入射进半导体衬底中就会产生一个电子(载流子)，因此半导体衬底中的电流完全由高重频脉冲激光发生器控制，由于半导体衬底中的载流子具有低于1ns的复合时间，该半导体器件可以响应GHz的输入光信号，输出GHz的电信号。宽带隙半导体器件输出的电信号和输入该器件的激光的调制频率一致，输出频率主要取决于输入激光的调制频率，不像传统高功率微波一套装置只对应一个频点。通过改变入射激光的调制频率，可以实现微波频率0.1GHz到1GHz的调制，即10倍频的调制。

附图说明

图1是背景技术基于宽带隙半导体宽带隙半导体器件的AB类光电微波放大器所述的电路逻辑结构图；

图2是本发明总体流程图；

图3是本发明第一步构建的基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路的电路结构图；

图4是图3中宽带隙半导体器件的结构图；

图5是图4中宽带隙半导体晶片的多层电极结构图；

图6是输出功率为50W原理验证本发明的实验布局图；

图7是图6中用于激励宽带隙半导体器件的时间互补激光脉冲波形图。

具体实施方式

如图2所示，本发明包括以下步骤：

第一步，构建基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路，基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路如图3所示，由两个电源(即第一电源51和第二电源52)、两个脉冲形成器件(即第一脉冲形成器件61和第二脉冲形成器件62)、两个宽带隙半导体器件(即第一宽带隙半导体器件71和第二宽带隙半导体器件72)、两个限流电阻、负载电阻和接地端组成。

第一电源51与第一脉冲形成器件61通过耐高压导线相连，第一脉冲形成器件61与第一宽带隙半导体器件宽71阳极端通过耐高压导线相连；第一宽带隙半导体器件71由第一路输入激光脉冲81所激励，第一宽带隙半导体器件71阴极端与第一限流电阻91通过耐高压导线相接，构成第一分路。

第二电源52与第二脉冲形成器件62通过耐高压导线相连，第二脉冲形成器件62与第二宽带隙半导体器件72阳极端通过耐高压导线相连；第二宽带隙半导体器件72由第二路输入激光脉冲82所激励，第二宽带隙半导体器件72阴极端与第二限流电阻92通过耐高压导线相接，构成第二分路。

第一分路和第二分路相并联，然后与负载电阻93串联，负载电阻93与接地端10相连。

第一电源51和第二电源52均为高压直流电源，除输出电压极性相反外，其余电学参数相同，分别输出幅值相同的一正一负共两个直流电压信号。输出电压最大值应不低于20kV，并且可调谐。

第一脉冲形成器件61和第二脉冲形成器件62可以是相同的脉冲形成线或者是相同的脉冲形成网络，对于第一分路或第二分路，第一脉冲形成器件61和第二脉冲形成器件62的特性阻抗应与其所处分路中的宽带隙半导体器件在激光辐照下的导通态最小电阻相同。第一脉冲形成器件61和第二脉冲形成器件62优选固态脉冲形成线或固态脉冲形成网络，要求输出方波脉冲，脉冲宽度为几十或几百ns，触发抖动、延时抖动和上升时间抖动均应为亚ns量级，击穿电压应高于30kV，第一脉冲形成器件61和第二脉冲形成器件62可以为同轴型或平板型固态脉冲形成线，或同轴型或平板型固态脉冲形成网络。

第一宽带隙半导体器件71和第二宽带隙半导体器件72结构完全相同，如图4所示，均由半导体晶片300、中空金属电极201和实心金属电极202、填充材料100和支撑结构101四个部分组成。半导体晶片300和中空金属电极201、实心金属电极202连接构成对面正入光型高功率宽带隙半导体器件，半导体晶片300采用多层电极结构。半导体晶片300如图5所示，由耐高压钝化层1、金属环2、N层相同的半导体衬底(31,32…,3n,…3N)、N层相同的透明导电层(41,42…,4n,…4N)和镀银层5构成。半导体晶片300中的N层半导体衬底(31～3N)使用高电阻半导体作为衬底材料，在第一层半导体衬底31正面上制备第一层透明导电层41,在第一层透明导电层41上制备具有增透效果的耐高压钝化层1，耐高压钝化层1的四周有一个金属环2紧贴第一层透明导电层41，金属环2的上面紧贴中空金属电极201；N层半导体衬底(31,32…,3n,…3N)通过N层透明导电层(41,42…,4n,…4N)间次连接(即每相邻2层半导体衬底之间有1层透明导电层)；第N层半导体衬底3N背面制备有具有高反射率的镀银层5，镀银层5与实心金属电极202连接。第n透明导电层4n和第n半导体晶片3n的正面和背面面积相同。

半导体衬底(31～3N)可以是方形薄片或圆形薄片，厚度h为0.01mm～0.1mm，为方形薄片时边长a为1mm～50mm，为圆形薄片时直径D1为1mm～50mm。半导体衬底(31～3N)的材料选择宽带隙半导体，如4H-SiC、6H-SiC或2H-GaN，耐压要求为3-4MV/cm，晶体载流子的复合时间小于1ns。

中空金属电极201和实心金属电极202为圆柱状，材料可以是不锈钢或黄铜；半导体晶片的边长a(或直径D1)与中空金属电极201的直径D2的比保持在1～1.5之间，实心金属电极202的直径＝D2；中空金属电极201和实心金属电极202与半导体晶片300的连接采用导电银胶相粘接，通过烘烤后使银胶固化。

支撑结构101是用聚四氟乙烯材料加工成的矩形无盖无底盒子。中空金属电极201穿过支撑结构101的第一侧面102，一端与半导体晶片300中的第一层半导体衬底31正面的金属环2粘接，另一端与第一脉冲形成器件61或第二脉冲形成器件62的输出端相连；实心金属电极202的一端与半导体晶片300中的第N层半导体衬底3N的背面镀银层5粘接，另一端穿过支撑结构101的第二侧面103。第一宽带隙半导体器件71的支撑结构101与第一限流电阻91的输入端相连，第二宽带隙半导体器件72的支撑结构101与第二限流电阻92的输入端相连；半导体晶片300、中空金属电极201、实心金属电极202和支撑结构101之间有填充材料100，填充材料100要求完全覆盖半导体晶片300、中空金属电极201、实心金属电极202，填充材料100要求平均耐受场强≥40kV/mm，当光波长200nm～1200nm时，光的透过率大于99％，填充材料优选环氧树脂。

作用于第一宽带隙半导体器件71和第二宽带隙半导体器件72的第一激光脉冲81和第二激光脉冲82应为两路激光脉冲，可以是一对相位差为180°(即时间互补)的正弦(三角、高斯)激光脉冲，激光频率可调，在0.1GHz～10GHz范围内，可以是自由空间输出或光纤输出。

第一限流电阻91和第二限流电阻92阻值相同，可以选用阻值大于10kΩ、功率容量大于50W的黄金铝壳电阻，避免工作电流超过电路中任一元件的电流阈值。

负载电阻93的阻值应和第一分路、第二分路并联后形成的等效阻抗相同，以实现输出阻抗匹配。输出阻抗应与等效阻抗匹配，以在负载电阻93上获得最大增益、最大输出功率和最大效率。

第二步，第一激光脉冲81和第二激光脉冲82与直流电压同时作用于基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路中的第一宽带隙半导体器件71和第二宽带隙半导体器件72。

2.1开启激光器电源，经过几分钟调试预热后，得到稳定输出的激光脉冲信号。激光脉冲可以在被激光器输出后通过自由空间或光纤的方式进行传输。激光脉冲由激光器输出后，通过空气或者光纤传输，然后穿过中空金属电极201，接着照射于半导体晶片300的耐高压钝化层1上。奇数序列脉冲(1，3，……)作为第一激光脉冲81作用于第一宽带隙半导体器件71，偶数序列脉冲(2，4，……)作为第二激光脉冲82作用于第二宽带隙半导体器件72。奇数序列脉冲与偶数序列脉冲之间的初始时间延迟固定，延迟设置在10ps～10ns范围内，可以通过激光器本身设置或者构建延时分光路、电光调制等不同方式实现。

2.2设置第一电源51和第二电源52的输出电参数，使其输出电流幅值相同，并同时开启第一电源51和第二电源52。第一电源51产生的直流电压通过第一脉冲形成器件61后被整流成脉冲特性相同的方波电压，脉宽为几十到几百ns，作用于第一宽带隙半导体器件71。第二电源52产生的直流电压通过第二脉冲形成器件62后被整流成脉冲特性相同的方波电压，脉宽为几十到几百ns，作用于第二宽带隙半导体器件72。需注意的是，在第一激光脉冲81和第二激光脉冲82开始辐照时第一电源51和第二电源52才施加直流电压，以确保第一激光脉冲81和第二激光脉冲82与第一电源51和第二电源52的直流电压同时作用于第一宽带隙半导体器件71和第二宽带隙半导体器件72上。

第三步，基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路在光电信号激励下进行光电微波放大。

3.1第一激光脉冲81和第二激光脉冲82均通过空气或者光纤、再通过中空金属电极201均匀照射到半导体晶片300正面的耐高压钝化层1上后，依次入射第一透明导电层41、第一层半导体衬底31，第二透明导电层42，第二层半导体衬底32，…，第n透明导电层4n，第n层半导体衬底3n，…，第N透明导电层4N，第N层半导体衬底3N，此时第一宽带隙半导体器件71、第二宽带隙半导体器件72作为光控可变电阻工作，其导通电阻随高能脉冲簇激光的光强成线性变化，第一宽带隙半导体器件71、第二宽带隙半导体器件72工作在线性模式，即一个光子入射进N层半导体衬底(31，32，…，3n，…，3N)内产生一对空穴电子对，电子在外加电压产生的电场的作用下移动，进而产生电流；这种模式产生的电流和入射激光有一致的波形和频率；该工作模式根据欧姆定律“I＝U/R”，调制过程中脉冲电压U不变，电阻R随光强呈反比例变化，因此第一宽带隙半导体器件71输出的电流I1和光强呈正比例变化，第二宽带隙半导体器件72输出的电流I2和光强也呈正比例变化。

3.2第一激光脉冲81和第二激光脉冲82激光时间互补、外加电压互为反向，使第一宽带隙半导体器件71、第二宽带隙半导体器件72在一个激光信号周期内轮番导通。第一宽带隙半导体器件71或第二宽带隙半导体器件72的单次导通时间与激光单次脉冲持续时间相当，因此，第一宽带隙半导体器件71输出的电流I1与第二宽带隙半导体器件72输出的电流I2均为周期性变化的电流，且电流变化周期与激光信号周期近似相等。

3.3第一宽带隙半导体器件71输出的电流I1经过第一限流电阻91、第二宽带隙半导体器件72输出的电流I2经过第二限流电阻92之后汇合，得到汇合电流。

3.4汇合电流流过负载电阻93，得到调制为激光脉冲调制频率两倍的高频电信号，频率在GHz量级，意味着单个电脉冲持续时间小于1ns，在外加直流电功率的激励下，负载电阻93上的高频电信号同时具有高功率特性，可达MW量级，实现光电高功率微波放大。若在负载电阻93和接地端10之间接辐射输出组件(如喇叭天线、抛物面天线)，辐射输出组件可将光电放大的微波信号向外辐射。

3.5第一激光脉冲81和第二激光脉冲82结束辐照，第一电源51和第二电源52随之关闭。

图6是输出功率为50W原理验证本发明的实验布局图；实验装置主要包括光学部分、电路部分和两个高压电源。

使用产生光脉冲的半高全宽为1.7ns、波长为532nm的Nd:YAG调Q激光器，利用反射镜和分束镜通过分束和延时的方式，构建互补的第一激光脉冲81和第二激光脉冲82。第一激光脉冲81和第二激光脉冲82各自包含两个光脉冲，均属于高斯型脉冲，峰值光功率为80kW，脉冲上升时间为1ns。

根据光在空气中的传播速度约为3×10⁸m/s，调整反射镜的位置可以改变第一激光脉冲81和第二激光脉冲82之间的延时长短、第一激光脉冲81包含的两个光脉冲之间的延时长短、第二激光脉冲82包含的两个光脉冲之间的延时长短。实验得到的第一激光脉冲81和第二激光脉冲82的波形如图7所示，纵坐标为激光能量密度(可以为任意单位，这里只表示相对大小，不关心实际为多少)，横坐标为时间(单位为纳秒)，实线表示第一输入脉冲81(奇数序列脉冲，包括脉冲1和脉冲3)，虚线表示第二输入脉冲82(偶数序列脉冲，包括脉冲2和脉冲4)。第一激光脉冲81和第二激光脉冲82之间的延时(即脉冲1与脉冲2之间延时)为3.7ns，第一激光脉冲81包含的两个光脉冲之间的延时(即脉冲1与脉冲3之间延时)为7.4ns，第二激光脉冲82包含的两个光脉冲之间的延时(即脉冲2与脉冲4之间延时)也为7.4ns。

第一电源51和第二电源52均为高压直流电源。第一脉冲形成线61采用第一电容C₁代替，第二脉冲形成线采用第二电容C₂代替，C₁和C₂均为4nF，负载电阻93为25Ω。利用电流探测电阻(CVR)94测量流经负载电阻93的电流，即此放大电路的输出电流。负载电阻93与接地端10相连。

第一宽带隙半导体器件71和第二宽带隙半导体器件72均采用边长1cm、厚度为200μm的圆形6H-SiC衬底。

实验结果如表1所示：(1)第一激光脉冲81和第二激光脉冲82功率均为P₀，P₀＝80kW；(2)消耗电功率P_HV＝1.84kW；(3)负载电阻93的输出功率P_out＝I(t)²R_load＝0.047kW；(4)推挽放大电路效率Eff.＝P_out/P_HV＝2.5％。可以看出，负载电阻93的输出功率P_out和推挽放大电路效率Eff.都很低，这是因为目前第一宽带隙半导体器件71和第二宽带隙半导体器件72的量子效率较低。理论和仿真表明，更高的量子效率将使第一宽带隙半导体器件71和第二宽带隙半导体器件72的导通电阻降低到10Ω以下，这将极大增加负载电阻93上的光电流和电压，提高输出电能和效率，最高可达78.5％。

表一为部分典型仿真结果，表中第二行是实验的量子效率实际结果，此时量子效率η较低，约为0.002，第三行和第四行是仿真所得结果，其中量子效率η和偏置电压V_HV需要有较大的提高，才能在未来提升该推挽放大电路的输出功率P_out和效率Eff.。其中，第四行输出功率P_out达到1100kW(即1.1MW)，表明本发明第一步设计的光电微波放大电路具备实现兆瓦级输出功率的潜能。这里的实验和仿真结果说明了当前的放大效率较低是由于目前半导体材料的量子效率η过低，而这主要与掺杂、光吸收等非电路因素有关。仅就本发明第一步设计的放大电路而言，本发明提出的微波放大方法是相对优越的。只要提升了宽带隙半导体器件材料的量子效率η，提升之后按照此推挽放大电路进行光电微波放大，就可以获得显著更高的效率与功率。目前提升量子效率η的方法主要有两种：一是提高外量子效率(光吸收效率)。选取合适的传输介质(光纤或光波导)和入射方式，改进宽带隙半导体器件结构(如改变晶片构型、设置谐振腔、镀减反增透膜)，使脉冲光源输出的调制激光尽可能地耦合进入宽带隙半导体并被其吸收。二是提高内量子效率。改进宽带隙半导体的材料性质，包括控制合理的掺杂浓度及比例、减少制备过程中引入的缺陷能级等，进而改变其载流子特性(如载流子寿命和材料光吸收系数)。因此本发明在提高效率和功率方面效果是显著的。

表1不同参数下微波放大效率

Claims (14)

1.一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，构建基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路，基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路由两个电源即第一电源(51)和第二电源(52)、两个脉冲形成器件即第一脉冲形成器件(61)和第二脉冲形成器件(62)、两个宽带隙半导体器件即第一宽带隙半导体器件(71)和第二宽带隙半导体器件(72)、两个限流电阻即第一限流电阻(91)和第二限流电阻(92)、负载电阻(93)和接地端(10)组成；

第一电源(51)与第一脉冲形成器件(61)通过耐高压导线相连，第一脉冲形成器件(61)与第一宽带隙半导体器件(71)阳极端通过耐高压导线相连；第一宽带隙半导体器件(71)由第一路输入激光脉冲(81)所激励，第一宽带隙半导体器件(71)阴极端与第一限流电阻(91)通过耐高压导线相接，构成第一分路；

第二电源(52)与第二脉冲形成器件(62)通过耐高压导线相连，第二脉冲形成器件(62)与第二宽带隙半导体器件(72)阳极端通过耐高压导线相连；第二宽带隙半导体器件(72)由第二路输入激光脉冲(82)所激励，第二宽带隙半导体器件(72)阴极端与第二限流电阻(92)通过耐高压导线相接，构成第二分路；

第一分路和第二分路相并联，然后与负载电阻(93)串联，负载电阻(93)与接地端(10)相连；

第一电源(51)和第二电源(52)均为高压直流电源，除输出电压极性相反外，其余电学参数相同，分别输出幅值相同的一正一负共两个直流电压信号；

第一脉冲形成器件(61)和第二脉冲形成器件(62)是相同的脉冲形成线或者是相同的脉冲形成网络，第一脉冲形成器件(61)和第二脉冲形成器件(62)的特性阻抗与其所处分路中的宽带隙半导体器件在激光辐照下的导通态最小电阻相同；

第一宽带隙半导体器件(71)和第二宽带隙半导体器件(72)结构相同，均由半导体晶片(300)、中空金属电极(201)、实心金属电极(202)、填充材料(100)和支撑结构(101)四个部分组成；半导体晶片(300)和中空金属电极(201)、实心金属电极(202)连接构成对面正入光型高功率宽带隙半导体器件；半导体晶片(300)采用多层电极结构，半导体晶片(300)由耐高压钝化层(1)、金属环(2)、N层相同的半导体衬底(31，32，…，3n，…，3N)、N层相同的透明导电层(41，42，…，4n，…，4N)和镀银层(5)构成；半导体晶片(300)中的N层半导体衬底(31，32，…，3n，…，3N)使用高电阻半导体作为衬底材料，在第一层半导体衬底(31)正面上制备第一层透明导电层(41),在第一层透明导电层(41)上制备耐高压钝化层(1)，耐高压钝化层(1)的四周有一个金属环(2)紧贴第一层透明导电层(41)，金属环(2)的上面紧贴中空金属电极(201)；N层半导体衬底(31，32，…，3n，…，3N)通过N层透明导电层(41，42，…，4n，…，4N)间次连接；第N层半导体衬底(3N)背面制备有具有高反射率的镀银层(5)，镀银层(5)与实心金属电极(202)连接；第n透明导电层(4n)和第n半导体晶片(3n)的正面和背面面积相同；

中空金属电极(201)和实心金属电极(202)为圆柱状，材料是不锈钢或黄铜；中空金属电极(201)的直径为D2，实心金属电极(202)的直径＝D2；中空金属电极(201)和实心金属电极(202)与半导体晶片(300)之间采用导电银胶相粘接；

支撑结构(101)是用聚四氟乙烯材料加工成的矩形无盖无底盒子；中空金属电极(201)穿过支撑结构(101)的第一侧面(102)，一端与半导体晶片(300)中的第一层半导体衬底(31)正面的金属环(2)粘接，另一端与第一脉冲形成器件(61)或第二脉冲形成器件(62)的输出端相连；实心金属电极(202)的一端与半导体晶片(300)中的第N层半导体衬底(3N)的背面镀银层(5)粘接，另一端穿过支撑结构(101)的第二侧面(103)；第一宽带隙半导体器件(71)的支撑结构(101)与第一限流电阻(91)的输入端相连，第二宽带隙半导体器件(72)的支撑结构(101)与第二限流电阻(92)的输入端相连；半导体晶片(300)、中空金属电极(201)、实心金属电极(202)和支撑结构(101)之间有填充材料(100)，填充材料(100)要求完全覆盖半导体晶片(300)、中空金属电极(201)、实心金属电极(202)；

作用于第一宽带隙半导体器件(71)和第二宽带隙半导体器件(72)的第一激光脉冲(81)和第二激光脉冲(82)为两路激光脉冲，是一对相位差为180°的激光脉冲，激光频率可调，是自由空间输出或光纤输出；

第一限流电阻(91)和第二限流电阻(92)阻值相同；

负载电阻(93)的阻值和第一分路、第二分路并联后形成的等效阻抗相同；

第二步，第一激光脉冲(81)和第二激光脉冲(82)与直流电压同时作用于基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路中的第一宽带隙半导体器件(71)和第二宽带隙半导体器件(72)，方法是：

2.1开启激光器电源，调试预热后，得到稳定输出的激光脉冲信号；激光脉冲由激光器输出后，通过空气或者光纤传输，穿过中空金属电极(201)，照射于半导体晶片(300)的耐高压钝化层(1)上；奇数序列脉冲作为第一激光脉冲(81)作用于第一宽带隙半导体器件(71)，偶数序列脉冲作为第二激光脉冲(82)作用于第二宽带隙半导体器件(72)；奇数序列脉冲与偶数序列脉冲之间的初始时间延迟固定；

2.2设置第一电源(51)和第二电源(52)的输出电参数，使其输出电流幅值相同，并同时开启第一电源(51)和第二电源(52)；第一电源(51)产生的直流电压通过第一脉冲形成器件(61)后被整流成脉冲特性相同的方波电压，脉宽为几十到几百ns，作用于第一宽带隙半导体器件(71)；第二电源(52)产生的直流电压通过第二脉冲形成器件(62)后被整流成脉冲特性相同的方波电压，脉宽为几十到几百ns，作用于第二宽带隙半导体器件(72)；

第三步，基于宽带隙半导体器件的B类推挽式放大电路在光电信号激励下进行光电微波放大，方法是：

3.1第一激光脉冲(81)和第二激光脉冲(82)依次入射第一透明导电层(41)、第一层半导体衬底(31)，第二透明导电层(42)，第二层半导体衬底(32)，…，第n透明导电层(4n)，第N层半导体衬底(3N)，…，第n透明导电层(4n)，第N层半导体衬底(3N)，第一宽带隙半导体器件(71)、第二宽带隙半导体器件(72)作为光控可变电阻工作，第一宽带隙半导体器件(71)、第二宽带隙半导体器件(72)的导通电阻随高能脉冲簇激光的光强成线性变化，即一个光子入射进N层半导体衬底(31，32，…，3n，…，3N)内产生一对空穴电子对，电子在外加电压产生的电场的作用下移动，进而产生电流；第一宽带隙半导体器件(71)输出的电流I1和光强呈正比例变化，第二宽带隙半导体器件(72)输出的电流I2和光强也呈正比例变化；

3.2第一激光脉冲(81)和第二激光脉冲(82)激光时间互补、外加电压互为反向，使第一宽带隙半导体器件(71)、第二宽带隙半导体器件(72)在一个激光信号周期内轮番导通；第一宽带隙半导体器件(71)或第二宽带隙半导体器件(72)的单次导通时间与激光单次脉冲持续时间相当，即第一宽带隙半导体器件(71)输出的电流I1与第二宽带隙半导体器件(72)输出的电流I2均为周期性变化的电流，且电流变化周期与激光信号周期近似相等；

3.3第一宽带隙半导体器件(71)输出的电流I1经过第一限流电阻(91)、第二宽带隙半导体器件(72)输出的电流I2经过第二限流电阻(92)之后汇合，得到汇合电流；

3.4汇合电流流过负载电阻(93)，得到调制为激光脉冲调制频率两倍的高频电信号，在外加直流电功率的激励下，负载电阻93上的高频电信号同时具有高功率特性；

3.5第一激光脉冲(81)和第二激光脉冲(82)结束辐照，第一电源(51)和第二电源(52)随之关闭。

2.如权利要求1所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于所述第一电源(51)和第二电源(52)输出电压最大值不低于20kV，且是可调谐的。

3.如权利要求1所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于所述第一脉冲形成器件(61)和第二脉冲形成器件(62)为固态脉冲形成线或固态脉冲形成网络，要求输出方波脉冲，脉冲宽度为几十或几百ns，触发抖动、延时抖动和上升时间抖动均为亚ns量级，击穿电压高于30kV。

4.如权利要求3所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于所述第一脉冲形成器件(61)和第二脉冲形成器件(62)为同轴型或平板型固态脉冲形成线，或固态脉冲形成网络。

5.如权利要求1所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于所述半导体衬底(31，32，…，3n，…，3N)是方形薄片或圆形薄片，厚度h为0.01mm～0.1mm，为方形薄片时边长a为1mm～50mm，为圆形薄片时直径D1为1mm～50mm；半导体衬底(31，32，…，3n，…，3N)的材料为宽带隙半导体，耐压要求为3-4MV/cm，晶体载流子的复合时间小于1ns。

6.如权利要求5所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于所述半导体衬底(31，32，…，3n，…，3N)的材料为4H-SiC或6H-SiC或2H-GaN。

7.如权利要求1所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于所述半导体晶片(300)的边长a或直径D1与中空金属电极(201)的直径D2的比在1～1.5之间。

8.如权利要求1所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于所述填充材料(100)要求平均耐受场强≥40kV/mm，当光波长200nm～1200nm时，光的透过率大于99％。

9.如权利要求8所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于所述填充材料(100)为环氧树脂。

10.如权利要求1所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于所述第一激光脉冲(81)和第二激光脉冲(82)是正弦或三角或高斯激光脉冲，激光频率在0.1GHz～10GHz范围内。

11.如权利要求1所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于所述第一限流电阻(91)和第二限流电阻(92)为阻值大于10kΩ、功率容量大于50W的黄金铝壳电阻。

12.如权利要求1所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于2.1步所述奇数序列脉冲与偶数序列脉冲之间的初始时间延迟设置在10ps～10ns范围内。

13.如权利要求12所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于所述设置奇数序列脉冲与偶数序列脉冲之间的初始时间延迟的方法是通过激光器本身设置或者通过构建延时分光路的方法或者通过电光调制的方法。

14.如权利要求1所述的一种基于宽带隙半导体器件的光电高功率微波放大方法，其特征在于在负载电阻(93)和接地端(10)之间接辐射输出组件，将3.4步得到的高频电信号向外辐射，输出微波信号。

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