摘要：该文对应用于脉冲功率领域的特种半导体开关器件进行综述,具体包括反向开关晶体管(reversely switched dynistor,RSD)、漂移阶跃恢复二极管(drift step recovery diode,DSRD)和快速离化晶体管(fast ionization dynistor,FID)。上述半导体开关器件从时间尺度上分别对应微秒级、纳秒级和皮秒级,研制材料包括硅基(Si)和碳化硅基(SiC)。该文介绍相关器件的工作机理、关键技术和应用情况,以及部分研究进展,并对未来的发展趋势进行展望。

引言：

脉冲功率技术诞生于20世纪60年代，它是一种以较低的功率储存能量，再以高得多的功率变换为脉冲电磁能量，并释放到特定负载中的电物理技术，也是一种电能变换技术。现代脉冲功率技术在电磁发射、核爆模拟等国防领域和光源、环保、材料、生物、医疗等民用领域都有着广泛应用。与一代电力电子器件决定一代电力电子电路相类似，脉冲功率开关也是整个脉冲功率系统的瓶颈，开关能达到的水平直接影响整个系统输出的脉冲幅值、上升时间、重复频率等关键指标。

脉冲功率开关包括气态开关、液态开关和固态开关。其中，气态开关的优势是功率容量大，目前仍然有着广泛的应用；液态开关进入应用领域的报道不多；固态开关由于体积小、可靠性高、重复频率高等优势，成功克服了气态开关电极容易烧蚀、使用寿命短、多数不可重频工作的原生缺陷，被认为是脉冲功率开关未来的发展方向，并已在各类固态源中应用。固态开关又可具体分为半导体开关、磁介质开关和电介质开关。与磁介质开关缺乏控制灵活性不同，半导体开关具有高度的可控性，且由于功率半导体技术的发展使其电流电压容量不断提升，脉冲功率系统半导体化的趋势越来越明显

电力电子器件基本上不是专门为脉冲功率应用而开发的，但是通过各种控制或连接方式，例如串并联、组合、叠加等，在一定程度上也可以适用于脉冲功率领域，包括功率金属–氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)、门极可关断晶闸管(gate-turn-off thyristor,GTO)、静电感应晶闸管(static induction thyristor,SITH)等，都可以被有侧重地用在高峰值功率或高重复频率的脉冲功率系统。然而，这些器件有的工作电压高，但是频率低(如GTO)；有的工作频率高，但耐压低(如MOSFET)。通过将不同器件进行组合使用可以同时满足较高电压和较高频率，但电路相对复杂。另外，三端器件在工作时需要提供复杂的触发电路，以保证各器件的同步。因此，为了适应脉冲功率的应用工况，将功率半导体器件的性能最大限度地发挥出来，也有一些特种器件是专门为其开发的。

俄罗斯科学院约飞(Ioffe)物理技术研究所曾于20世纪80、90年代提出一系列这类特种的半导体脉冲功率开关器件，随后不少国家也开始研制或者应用这些器件。从“时间尺度”(试验时开关对电功率进行换流时所消耗的时间长短)而言，上述特种半导体脉冲功率开关器件可分为微秒级、纳秒级以及皮秒级开关。按时间尺度分类最典型的包括：微秒级的反向开关晶体管(reversely switched dynistor,RSD)、纳秒级的漂移阶跃恢复二极管(drift step recovery diode,DSRD)和皮秒级的快速离化晶体管(fast ionization dynistor,FID)。其中，RSD和FID是闭合型开关，对应电容储能型脉冲功率系统，电容储能脉冲功率系统对闭合型开关的要求是寿命长、结构紧凑、电感小、开关击穿时延短、易于维修等。此外，通常施加在开关两电极间的脉冲电压高达10k V及以上，通过的电流大至10k A及以上;DSRD是断路型开关，对应电感储能型脉冲功率系统，电感储能脉冲功率系统对断路型开关的要求是寿命长、传导的电流值(流过断路开关的电流值)大、开关损耗尽量低、高阻断电压，且断路阻抗要快速上升到最大值以及能在高重频下工作。上述3种器件均可由硅(silicon,Si)材料成功制备，并都在探索向宽禁带碳化硅(silicon carbide,Si C)材料的过渡。在几十年的时间里，人们对这些特种器件工作机理的认识在不断深入，器件研制水平也在不断提升。本文旨在对这些特种器件进行综述，介绍相关器件的工作机理、关键技术和应用情况，也包括部分笔者所在课题组的研究进展。

半导体脉冲功率开关器件综述 详细内容见如下文档：