基于光导开关的激光二极管触发三电极气体开关研究北大核心CSCD

为实现激光二极管对气体开关的触发,采用从主回路开关两侧取电的基于光导开关一体化激光二极管触发气体开关结构,并对基于光导开关一体化激光二极管触发三电极气体开关进行了初步实验,实现了激光二极管输出能量83μJ条件下40 kV/8 kA三电极气体开关的可靠触发,证明了技术可行性。但实验中的实测光导开关的工作寿命仅约数百次。     

光导开关非线性导通时的载流子累加效应

利用半导体激光器作为触发源,对砷化镓光导开关进行了实验研究,重点研究了载流子累加效应对开关输出特性的影响。实验结果表明,光导开关的导通机制与内部载流子数的多少直接相关,当开关中的载流子数积累到雪崩碰撞电离条件,开关就会发生非线性导通。采用低能量光脉冲序列触发光导开关,获得了高功率输出,降低了开关非线性导通时的触发光能和偏置电压,对于光导开关的应用具有重要意义。     

大功率激光脉冲二极管触发高增益光导开关实验研究

研究了一种新型大功率激光脉冲二极管的输出特性,该激光二极管主要用于触发工作在高增益模式下的砷化镓光导开关。研制了基于射频金属-氧化物半导体场效应管的激光二极管驱动电路,可以为激光二极管提供上升沿、半高宽和峰值电流分别为4 ns,20 ns和130 A的脉冲驱动电流。研究了激光二极管输出的激光脉冲波形、能量、功率、光场分布等特性,并在Blumlein传输线结构中,研究了该大功率激光脉冲二极管的输出特性对工作于高增益模式下的光导开关的导通电阻、开关抖动等主要导通性能参数的影响规律。实验结果表明,激光脉冲的能量和功率越大,光斑面积越大、分布越均匀,在相同偏置电压条件下,光导开关的导通性能越好。     

不同形状的光斑触发砷化镓光导开关

为研究使用不同形状光斑触发光导开关对光电导特性的影响,研制了12 mm间隙的半绝缘砷化镓光导开关,在不同的偏置电压下,使用波长为1 064 nm的不同能量的激光触发光导开关并进行了光电导测试。使用了不同形状的光斑(包括面状、线状和点状光斑)触发光导开关并进行了光电导特性的比较,讨论了触发光参数对光导开关特性的影响。对处于开关电极间不同位置的线状光斑触发特性进行了比较,结果显示,本征光电导和非本征光电导情况下光斑位置对光电流的影响正好相反。     

基于大功率激光二极管的光导开关导通特性

研究了应用于介质壁加速器的小间隙光导开关在大功率激光二极管驱动下的导通特性。激光二极管产生的激光脉冲中心波长为905nm,脉冲宽度(FWHM)约20ns,前沿约3.1ns,抖动小于200ps,峰值功率约90W。所用光导开关为异面电极结构的砷化镓(GaAs)光导开关,电极间隙5mm,偏置电压为15~22kV脉冲高压,工作在非线性(高增益)模式。测得光导开关最小导通电阻4.1Ω,抖动小于1ns,偏置电压在18kV时平均使用寿命约200次。     

激光触发能量对横向结构4H-SiC光导开关导通电阻的影响

采用钒掺杂半绝缘4H-SiC衬底,利用磁控溅射在硅衬底上制备了Ni/Au金属电极,并封装加工成同面型横向电极结构SiC光导开关,研究了不同激光触发能量对光导开关光电响应及导通电阻的影响。用波长532nm的激光作为触发源,当激光触发能量从26.7mJ增加到43.9mJ时,光导开关的导通电阻从295Ω降低到197Ω。利用复合理论推导出激光触发时导带中载流子浓度随时间的变化规律,并利用MATLAB模拟计算了不同触发能量下开关的导通电阻,得到了与实验较一致的结果。在此基础上,提出了降低开关导通电阻的两种途径。     

光导开关Blumlein型脉冲网络电压传输效率

为了在高阻负载上获得高效率的重复频率平顶高压脉冲输出,开展了影响基于光导开关的Blumlein型脉冲形成网络电压传输效率因素的初步实验研究。以陶瓷电容、铝条和GaAs光导开关构成全固态Blumlein型脉冲形成网络（BPFN）,采用气体间隙进行了设计参数的验证实验,在匹配负载上研究了光导开关工作场强、激光触发能量与BPFN电压转换效率的关系。设计的BPFN阻抗7.8 ,电长度32.6 ns,实验表明光导开关较高的导通电阻是影响PCSS-BPFN电压传输效率的主要因素。当触发激光能量30.4 mJ,工作场强25.1 kV/cm时,获得电压效率83.2%,相应最小导通电阻1.89 ;在触发激光能量3.5 mJ时,为了使阻抗为7.8 的BPFN在匹配负载上达到75%以上电压传输效率,应至少使光导开关工作场强为25.1 kV/cm,相应最小导通电阻2.88 。     

GaAs与InP半导体光导开关特性实验研究

利用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)及其掺杂材料制作的光导开关具有很好的时间响应及高功率输出特性.比较了这两种材料制作的不同电极间隙类型的光导开关的开关时间响应速度、导通光能与饱和触发激光能量、线性与非线性工作模式及触发稳定性等特性.结果表明,利用InP和GaAs两种材料制作的光导开关都具有达到皮秒级的超快时间响应,其对时间最佳响应与偏置电场有关.两种开关的多次触发时间抖动在几个皮秒范围,输出电压峰峰值抖动优于10%.GaAs开关的非线性工作电场阈值比InP开关低,更容易实现非线性输出.     

影响碳化硅光导开关最小导通电阻的因素

采用2种电阻率的钒掺杂半绝缘6H-SiC晶体制作了横向结构的碳化硅光导开关,分别加载不同的偏压、并使用不同能量的激光触发开展光电导实验。对比实验结果表明:高暗态电阻率的碳化硅光导开关耐压特性远远优于低暗态电阻率的碳化硅光导开关,耐压从4 kV提高到了32 kV;但高暗态电阻率的开关导通电阻也较大,导通电阻为k量级,比低暗态电阻率的碳化硅光导开关的近百增加了1个量级。通过激光脉冲波形与光电流脉冲波形的比较,估算出2种光导开关的载流子寿命和载流子迁移率。将这2个参数与砷化镓光导开关进行比较,推导出低的载流子迁移率是碳化硅开关导通电阻较大的主要原因。在实验和分析的基础上改进设计,研制出了工作电压超过10 kV、工作电流超过90 A的碳化硅光导开关。     

玻璃陶瓷Blumlein线的传输特性

研究了以不同电极宽度的玻璃陶瓷平板传输线所搭建的Blumlein线传输特性。为获得高压快脉冲输出,实验采用了正失配负载以及通过激光二极管触发的高工作场强光导开关。在几种不同电极宽度的平板Blumlein脉冲形成线实验中获得了具有平顶的脉宽9ns的高压脉冲,脉冲幅值可达20kV以上;由于开关偏置电压较低,导致开关内阻变大,输出效率变低。     

Photoconductive semiconductor switches

Optically activated GaAs switches operated in their high-gain mode are being used or tested for pulsed power applications as diverse as low-impedance, high-current firing sets in munitions; high impedance, low-current Pockels cell or Q-switch drivers for lasers; high-voltage drivers for laser diode arrays; high-voltage, high-current, compact accelerators; and pulsers for ground penetrating radar. This paper will describe the properties of high-gain photoconductive semiconductor switches (PCSS), and how they are used in a variety of pulsed power applications. For firing sets, we have switched up to 7 kA in a very compact package. For driving Q switches, the load is the small (30 pF) capacitance of the Q switch which is charged to 6 kV. We have demonstrated that we can modulate a laser beam with a subnanosecond rise time. Using PCSS, we have demonstrated gain switching a series-connected laser diode array, obtaining an optical output with a peak power of 50 kW and a pulse duration of 100 ps. For accelerators, we are using PCSS to switch a 260 kV, 60 kA Blumlein. A pulser suitable for use in ground-penetrating radar has been demonstrated at 100 kV, 1.3 kA. This paper will describe the specific project requirements and switch parameters in all of these applications, and emphasize the switch research and development that is being pursued to address the important issues     

小间隙异面电极结构的光导开关

介绍了应用于介质壁加速器的小间隙异面电极结构的光导开关。所用光导开关为异面结构的砷化镓（GaAs）光导开关,电极间隙5 mm,偏置电压为15~22 kV脉冲高压,工作在非线性（高增益）模式,由半导体激光器产生的脉冲激光触发。脉冲激光的中心波长为905 nm,脉冲宽度（FWHM）约20 ns,前沿约3.1 ns,抖动小于200 ps,峰值功率约90 W。实验结果表明:光导开关的偏置电压较低时,开关寿命较长,导通性能较差;偏置电压较高、驱动脉冲激光功率较大时,开关导通性能较好,寿命较短。     

Influence of Hot-Carriers on the On-State Resistance in Si and GaAs Photoconductive Semiconductor Switches Working at Long Pulse Width

We demonstrate that the transport of hot carriers may result in the phenomenon where an oscillated output current appears at the waveforms in a high-power photoconductive semiconductor switch(PCSS) working at long pulse width when the laser disappears or the electric field changes. The variational laser and electric field will affect the scattering rates of hot carriers and crystal lattice in high-power PCSS, and the drift velocity of hot carriers and also the on-state resistance will be changed. The present result is important for reducing the on-state resistance and improving the output characteristics of high-power Si/Ga As PCSS.     

线性模式下GaAs光电导开关的时间抖动特性

针对线性模式下GaAs光电导开关时间抖动特性的研究,对提高精密同步控制系统的输出性能具有重要意义.根据电脉冲的概率分布和时间与电脉冲波形的对应关系,结合载流子的输运过程,对光电导开关时间抖动进行了定性的理论推导.此外,通过搭建实验平台,利用正交光栅分光,将一束激光同时触发两路并联的GaAs光电导开关,改变触发激光脉冲宽度及外加偏置电压测试开关时间抖动,根据实验值的对比分析,得出在不同的外加偏置电压下,随着触发激光脉冲宽度的减小,开关时间抖动值随之减小.验证了触发激光脉冲宽度对开关时间抖动的影响及理论分析的正确性.研究结果对GaAs光电导开关时间抖动的进一步减小具有一定的指导意义.     

高功率亚纳秒GaAs光电导开关的研究

报道了具有全固态绝缘结构的横向型半绝缘GaAs光电导开关的研制和性能测试结果.其中8mm电极间隙的GaAs开关暗态绝缘强度达28kV,分别用ns和ps激光脉冲触发开关的结果表明,开关输出电磁脉冲无晃动,电流脉冲上升时间小于200ps,脉宽达亚ns,3mm电极间隙的GaAs开关的峰值电流达560A,电磁脉冲重复率108Hz.给出不同电极间隙的GaAs开关工作于线性和lockon状态下的实验结果,测试了GaAs开关工作于lockon状态下的光能、电场阈值 关键词： 光电导开关 lockon效应 高功率超快电脉冲     

激光二极管触发光导开关实验研究

介绍了利用大功率半导体激光二极管触发3 mm间隙GaAs光导开关、产生非线性电脉冲输出的实验,激光二极管输出功率为70 W,上升前沿约20 ns,脉冲半高宽（FWHM）约40 ns。随着开关两端偏置场强增加,输出电压也线性增加,当偏置场强超过一定阈值,增至约2.53 kV/mm时,经过一个较小的电压峰值和时间延迟后,输出电压急剧增加,产生雪崩现象。实验结果表明:GaAs开关非线性输出的产生与载流子聚集和碰撞电离有关,偏置电场的提高增加了开关芯片中载流子聚集数量,加剧了碰撞离化程度,从而使开关从线性模式进入雪崩模式。     

光脉冲对光导开关非线性导通性能的影响

设计了异面结构的GaAs光导开关,开关厚度为0.6mm,电极间隙为3mm。利用半导体激光二极管对开关进行了触发实验。随着开关两端偏置电压不断升高,开关输出脉冲幅度线性增加,输出波形与光脉冲相似,当偏置电压超过一定阈值,开关输出脉冲幅度显著增强,输出脉冲前沿快于光脉冲,开关进入了非线性工作模式。开关进入非线性模式,除了与偏置电压有关外,还与触发光脉冲前沿、能量有关,实验发现触发光脉冲前沿越快,能量越高,开关越容易进入非线性工作模式,所需的偏置电压也越低,但当电压低至某一阈值时(实验中约6kV),即使增加触发光能,开关也无法进入非线性模式。