半导体桥动态阻抗的试验研究.pdf

爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 6 卷第2 期 半导体桥动态阻抗的试验研究 祝明水①何碧①胡美娥蒋明① ①中国工程物理研究院化工材料研究所 四J 1 1 绵阳，6 2 1 9 0 0 ②中国工程物理研究院流体物理研究所 四川绵阳，6 2 1 9 0 0 [ 摘要] 利用电容放电加载，通过测试半导体桥两端电压以及流过半导体桥的电流随时问的变化曲线，获得了 半导体桥动态阻抗随输入能量变化的曲线。根据动态阻抗一能量曲线以及半导体桥作用过程，提出半导体桥动态阻 抗与输入能量之间的关系应分四段表示，分别对应于阻抗正温升、阻抗负温升和熔化、汽化以及等离子体产生等几 个阶段，并且分别可用线性公式和指数衰减公式表示。试验结果表明，在高加载速率、无能量损失情况下，所提出的 四段式能够很好地拟合试验确定的半导体桥动态阻抗- 输入能量曲线。 [ 关键词]半导体桥 动态阻抗 电容放电 四段函数 [ 分类号] T D 2 3 5 。2 2 1引言 半导体桥火工品与传统热桥丝火工品相比，具 有发火能量低，但安全级别高、作用迅速等特点。这 些优良的特点使其在军事和民用领域得到了广泛的 应用，也将其电学性能的仿真模拟提上了日程。对半 导体桥进行电学性能模拟，首先必须了解半导体桥 阻抗的动态变化特性Ⅱ] 。但资料表明，国内还没有开 展过这方面的研究。因此，本文对半导体桥的动态阻 抗进行了实验研究，并提出了与国外研究结果 2 ] 不 同的描述半导体桥动态阻抗与输入能量之间的四段 式函数。 2 基本理论 研究表明‘引，半导体桥在电输入加载过程中，其 阻抗会发生比一般金属桥 箔 更为复杂的变化。这 种复杂性是由半导体材料特殊的阻抗温度特性决定 的。在电加载的初始阶段，电热效应引起的温升使半 导体材料阻抗率增大，从而使半导体桥的阻抗随之 增大。但温度升至8 0 0K 后，其阻抗反而随着温度的 升高而降低。这种阻抗的迅速下降，使电压加载条件 下的电热转换效率也随之迅速增高，温度也随之增 高，从而迅速产生熔化、汽化，最终半导体蒸汽在强 电场作用下产生高温等离子体。 文献[ 2 ] 认为假设输入能量全部用于加热半导 体桥，则半导体桥动态阻抗与输入能量间的函数关 系可表示为 尺一伫芝上 c 1 尺一{ 1 l D ／1 矿 F 式中R 半导体桥动态阻抗； W 输入半导体桥的能量； A 、B 、C 、D 和F 与半导体桥物理性质有关的常 数系数。 通过分析实验动态阻抗一能量曲线以及半导体 桥作用过程，认为半导体桥动态阻抗与输入能量间 的函数关系很难用式 1 的两段式表示，而应分为四 段，分别对应于阻抗正温升、阻抗负温升和熔化、汽 化以及等离子体产生等几个阶段，具体可以表述为 f A Ⅳ B 阻抗正温升阶段 R _ { 嘉；篡襄萎釜尹升和熔化阶段 2 ，lF w G 汽化阶段 ⋯ 【日e 一肼 ， 等离子体产生阶段 式中A ～，与半导体桥性质有关的常数系数。 采用电容放电加载，可测试半导体桥两端的电 压以及通过半导体桥的电流随时间的变化曲线，从 而确定半导体桥阻抗随时间的变化曲线R ￡ 以及 输入半导体桥的能量随时间的变化曲线Ⅳ f 。根据 电学原理，某时刻输入半导体桥的能量可表示为 w 胁出 3 式中“半导体桥两端的电压； i 流过半导体桥的电流。 通过曲线R f 和Ⅳ ￡ ，可以绘制R w 曲线。 根据R W 曲线特点，用式 2 进行拟合，即可得到 有关常数系数以及分段条件。 3 实验部分 3 ．1 实验装置 半导体桥动态阻抗测试实验装置如图1 所示。 实验时，闭合开关3 ，电源1 通过回路1 、2 、3 、4 对电 容4 充电。当电容4 电压稳定后，打开开关3 ，触发 可控硅开关5 ，电容4 通过回路4 、5 、6 、7 对半导体 桥7 加载，流过半导体桥7 的电流及其两端的电压 降通过示波器监测并记录下来。 万方数据 2 0 0 7 年4 月半导体桥动态阻抗的试验研究祝明水等 r 一 不 波 器 1 一电源；2 一充电阻抗；3 一开关；4 一电容； 5 一可控硅开关；6 一电流环；7 一半导体桥 图1 半导体桥动态阻抗测试试验装置 3 ．2 实验条件 为了比较不同的加载速率对半导体桥动态阻抗 变化规律的影响，采用四种充电电压 充电电容9 1 肛F 对同一种半导体桥加载，依次为3 0V 、2 0V 、1 5 V 、1 0V 高电压对应高加载速率 。 3 ．3 实验结果 图2 、图3 分别是试验测得的通过半导体桥的 电压降和电流曲线。由图2 和图3 可见，无论电压曲 线还是电流曲线都呈现出明显的分段现象，这些现 象是同上文所述的正温阻抗、负温阻抗和熔化、汽化 以及等离子体产生等四个阶段分别对应的。图2 所 示电压曲线与国外研究结果“] 是一致的，即明显的 双峰结构。国内王治平等‘5 3 没有发现这种结构，可能 是相对于其电压加载速率，所用的数据采集速率不 够，导致数据丢失的结果。其实，图2 本身就说明了 这一点。由图2 可见，随着电压加载速率的上升，各 个阶段之间的时间间距明显减小。因此，加载速率越 高，就必须采用越高的数据采集速率才能分辨出其 中的细观结构。另外，图2 中的电压曲线不像在通常 的R C 放电回路中从一个高值下降到低值，而是从 一个低值逐渐发展到一个高值。这种现象是由于图 l 中的可控硅开关5 随时间变化的阻抗分压导致 的。可控硅开关的载流子形成需要一定的时间。在 图2 半导体桥两端的电压曲线 图3 通过半导体桥的电流曲线 电容放电的初始阶段，可控硅开关中载流子较少、阻 抗较大，实际加载到半导体桥上的电压较小；随着放 电的继续，可控硅开关中载流子逐渐增多，阻抗逐渐 减小 直到接近于零 ，实际加载到半导体桥上的电 压逐渐增大 最终接近于放电电容两端的电压 。根 据欧姆定律，图3 的电流曲线与图2 的电压曲线有 类似的结论。 3 ．4 数据处理及分析 由电压和电流曲线，根据欧姆定律和式 3 ，可 分别得到半导体桥的动态阻抗曲线和输入能量曲 线。联立后两种曲线，得到如图4 所示的阻抗一能量 曲线。由图4 可见，在各种加载速率下，半导体桥的 阻抗都经历了如下过程从初值增加到第一个峰值， 然后从第一个峰下降到某个值，经过一个平台，再上 升到第二个峰，最后从第二峰下降到某个稳定值。从 初值到第一峰为半导体桥阻抗的正温升阶段；从第 一峰到平台之间为半导体桥阻抗的负温升阶段；平 台为半导体桥的熔融阶段，这个阶段阻抗基本不变， a 京 盛 能量／1 0 叮 图4 半导体桥动态阻抗一能量曲线 蚺掩M 心m 8 6 4 2 O ＼器雹 万方数据 2 0 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 6 卷第2 期 且其值约为第一峰的1 ／1 0 ，这和熔融态半导体材料 的性质一致；从平台到第二峰为半导体桥的汽化阶 段，气态的半导体材料的导电性较差，因而半导体桥 阻抗迅速攀升；从第二峰至最终稳定值问为等离子 体产生阶段，等离子体导电性明显增强，因而半导体 桥阻抗下降。 由图4 可见，各加载速率下，除第一个转折点 外，半导体桥阻抗变化的各阶段转折点有着明显的 差别。这种现象是由不同加载速率下，能量的相对损 失速率不同造成的。加载速率越低，能量损失速率相 对越大，从而导致各阶段对应的转折能量偏高。并且 在低加载速率下，由于边界梯度效应，半导体桥呈现 不均匀加热，使整个半导体桥的阻抗峰值偏低。在 2 0V 、3 0V 的高加载速率下，两个峰值和各阶段转 折点基本一致，仅存在微小的差别。因此，3 0V 加载 足以代表半导体桥几乎没有能量损失的情况，其对 应的半导体桥阻抗一能量曲线足以表示半导体桥动 态阻抗与实际用于加热半导体桥的能量问的关系。 因此，对该半导体桥动态阻抗一能量的定量关系就可 以通过拟合3 0V 加载条件下的阻抗一能量曲线获 得。 用式 2 分段拟合3 0V 加载条件下的半导体动 态阻抗一能量曲线，可得该半导体桥的动态阻抗与输 入能量之间的定量关系为 r R J 3 7 Ⅳ 2 ．2 3 0 9 Ⅳ≤1 4 ．8 3 时 O e “1 2 7 2 ” O ．6 1 4 8 1 4 ．8 3 肛J Ⅳ≤O ．1 0 6 m J 6 4 Ⅳ一4 2 ．7 2 O ．1 0 6 m J Ⅳ≤O ．1 4 0 m J O e o ⋯5 9 Ⅳ 1 ．6 7 8 O ．1 4 0 m J I 矿 4 式中Ⅳ输入能量，时。 4 结论 通过对半导体桥动态阻抗的试验研究，认为半 导体桥的作用过程可以分为阻抗正温升、阻抗负温 升、熔化、汽化以及等离子体产生等几个阶段。相应 地将半导体桥阻抗随能量的变化分为阻抗正温升、 阻抗负温升和熔化、汽化以及等离子体产生等四段， 分别用线性和指数衰减关系表示。试验结果表明，四 段式能够很好地拟合高加载速率、无能量损失情况 下的半导体桥动态电阻一输入能量曲线。这个结果对 于分析半导体桥的电学行为以及对半导体桥电学性 能的模拟将会有所帮助，对半导体桥火工品的设计 能够起到一定的指导作用。 感谢中国工程物理研究院化工材料研究火工 品研究室李荣、刘川明、尹强等在实验方面提供的帮 助，感谢中国工程物理研究院电子工程研究所费三 国高级工程师提供的半导体桥。 参考文献 1 陈越洋，谢瑁堂，王佩兰，等．半导体点火桥的数值模拟 [ J ] ．北京理工大学学报，2 0 0 2 ，2 2 5 6 3 0 ～6 3 2 2K ．D ．M a r x ，R ．W ．B i c k e s ，J r ，D ．E ．W a c k e r b a r t h ．C h a r a c t e r i z a t i o na n de l e c t r i c a lm o d e l i n go fs e m i c o n d u c t o r b r i d g e s [ R ] ．A l b u q u e r q u eU S A s a n d i aN a t i o n a lL a b o r a t o r i e s ，S A N D 9 7 8 2 4 6 U C7 0 6 3 祝逢春，秦志春，陈西武，等．半导体桥的设计分析[ J ] ．爆 破器材，2 0 0 4 ，3 3 2 2 2 ～2 5 4 K ．D ．M a r x ，D ．I n g e r s 0 1 l ，R ．W ．B i c k e s ，J r ．E L E C T R I C A LM O D E L I N GO FS E M I C O N D U C T O RB R I D G E S C B B N C PD E T O N A T O R SW I T HE L E C T R o ． c H E M I c A L0 A P A c I T c RF I R I N Gs E T s [ R ] ．A l b u ． q u e r q u eU S A S a n d i aN a t i o n a lL a b o r a t o r i e s ，S A N D 9 8 一 0 1 3 7 C 5 王治平，费三国，龚晏青，等．半导体桥起爆炸药的实验研 究[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 0 ，2 0 4 3 5 9 ～3 6 3 S t u d yo nD y n a m i cR e s i s t a n c eo fS e m i c o d u c t o rB r i d g e Z h uM i n g s h u i ①，H eB i ①，H uM e i ’e ②，J i a n gm i n g ① D I n s t i t u t eo fC h e m i s t r y ，C A E P S i c h u a nM i a n y a n g ，6 2 1 9 0 0 ②I n s t i t u t eo fF l u i dP h y s i c s ，C A E P S i c h u a nM i a n y a n g ，6 2 1 9 0 0 [ A B s T R A c T ]O nc a p a c i t a n c ed i s c h a r g e ，v o l t a g ed r o p t i m ea n dc u r r e n t t i m ec u r v e sa r et e s t e dt h r o u g ht w oe l e c ． t r o d e s ，a n dt h ed y n a m i cr e s i s t a n c e i n p u te n e r g yr e l a t i o n s h i po fs e m i c o n d u c t o rb r i d g ei sd e r i v e d ．B a s e dond y n a m i c r e s i s t a n c e i n p u te n e r g yc u r v e sa n dp e r f o r m a n c ep r o c e e so fs e m i c o n d u c t o rb r i d g e ，i ti sf o u n dt h a td y n a m i cr e s i s t a n c e i n p u te n e r g yr e l a t i o n s h i ps h o u l db ed e s c r i b e da sf o u r p i e c e w i s ef u n c t i o n ，r e s p e c t i v e l yr e l a t e dt os u c hp r o c e d u r e sa sr e s i s t a n c ei n c r e a s i n gw i t ht e m p e r a t u r e r e s i s t a n c ed e c r e a s i n gw i t ht e m p e r a t u r ea p p e n d e db r i d g em e l t i n g ， b r i d g eg a s i f y i n ga n dp l a s m ap r o d u c i n g ．A n dt h e s ep r o c e d u r e scanb em a t h e m a t i c a l l ye x p r e s s e da sl i n e a ro re x p o n e n ta t t e n u a t i n gf o r m u l a ．T h et e s t e dr e s u l t ss h o w e dt h a to nh i g hc h a r g ev e l o c i t ya n dn oe n e r g yl o s s ，t h ef o u r p i e c e w i s ef u n c t i o ncanf i td y n a m i cr e s i s t a n c e i n p u te n e r g yc u r v e sv e r yw e l l ． [ K E Yw 0 R ．D s ]s e m i c o n d u c t o rb r i d g e ，d y n a m i cr e s i s t a n c e ，c a p a c i t a n c ed i s c h a r g e ，f o u r p i e c e w i s ef u n c t i o n 万方数据