高增益砷化镓光导开关中的光致电离效应

研究了光致电离在高增益本征砷化镓(GaAs)光导开关(PCSS)中的效应.在高增益本征砷化镓光导开关中,各级流注发展由三个过程组成:光致电离、畴电子崩(DEA)和载流子碰撞电离雪崩生长.光致电离在本征砷化镓绝缘区中产生局部高载流子密度区域,提供了允许畴存在的局域环境.光致电离包括激光触发和流注的复合辐射两种情形.分析了光导开关的最优触发激光条件.通过计算机数值模拟,计算了在距离流注表面y≤30 μm的范围内,平均光生载流子密度n(t=0)乘以该局域的特征尺度满足偶极畴成核条件:n(t=0)·y>1012 cm-2;探讨了流注的复合辐射在流注周围产生非平衡载流子的规律;发现了触发区域沿电场方向的长度阈值LEC,触发区域的特征长度LE必须满足条件:LE≥LEC.     

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。     

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.     

基于光导开关的Blumlein型PFN能量转换效率

为了驱动低能重复频率高阻抗X光管,采用低感陶瓷电容构建了一套电长度约33.5 ns、阻抗约8 的Blumlein型脉冲形成网络（BPFN）,在匹配负载条件下研究了采用GaAs光导开关（PCSS）作为脉冲输出开关时PCSS工作场强、激光触发能量与能量转换效率的关系。实验表明:PCSS截止场强为3.21～4.94 kV/cm,在工作场强高于20 kV/cm时,截止场强引起的能量损失对能量转换效率的影响不大;PCSS较高的导通电阻是影响PFN能量转换效率的主要因素,随着工作场强、激光触发能量的上升,能量转换效率呈指数上升趋势。     

雪崩倍增GaAs光电导太赫兹辐射源研究进展

在飞秒激光激励下用GaAs光电导开关作为太赫兹(THz)辐射天线, 已经广泛用于太赫兹时域光谱系统, 但目前国际上都是使用GaAs光电导开关的线性工作模式, 而GaAs光电导开关的雪崩倍增工作模式所输出的超快电脉冲功率容量远大于其线性工作模式, 迄今为止, 还没有人提出用雪崩倍增机理的GaAs 光电导开关作为辐射源产生THz电磁辐射. 本文探讨了用 雪崩倍增工作模式的GaAs光电导开关作为光电导天线产生THz电磁波的可能性及研究进展. 通过理论分析及实验研究, 在实验上实现了: 1) 利用nJ量级飞秒激光触发GaAs光电导天线, 可以进入雪崩倍增工作模式; 2) 利用光激发电荷畴的猝灭模式, 可以使GaAs光电导天线载流子雪崩倍增模式的延续时间(lock-on 时间)变短. 这为利用具有雪崩倍增机理的GaAs光电导天线产生强THz辐射奠定了基础.     

晶闸管触发开通特性

从载流子的传输过程和载流子数密度两个方面分析了晶闸管触发开通过程,研究了强触发方式对晶闸管开通特性的影响。利用功率MOSFET的快开通特性和通流能力,设计了晶闸管强触发电路,并通过晶闸管开通特性实验平台研究了触发条件和工作电压两个因素与晶闸管开通时间的关系。实验结果表明:晶闸管开通时间决定于触发方式和工作电压,强触发方式可以缩短延迟时间,高工作电压可以减小导通时间,利用强触发方式和提高工作电压能够有效地改善晶闸管的开通性能。     

非线性光导开关快速导通特性

非线性光导半导体开关的快速导通过程总是伴有电流丝的形成，基于电流丝表成的雪崩碰撞引起的粒子束放电机制的假定，考虑到载流子寿命，光吸收深度，碰撞电离系数以及初始载流子浓度等因素的影响，从理论上分子非线性光导开关雪崩导通的物理过程的导通特性，得到了一些与实验观测结果吻合得到很好结论，提出了一些有利于改善和控制非线性光导开关的工作特性的可行手段。     

用光电导开关产生稳幅ps量级时间晃动超快电脉冲的研究

报道了用半绝缘GaAs光电导开关产生电压幅值稳定、ps量级时间晃动超快电脉冲的实验结果.分别用ns，ps和 fs激光脉冲触发GaAs光电导开关的结果表明，在低电场偏置下，电极间隙为1 mm的GaAs光电导开关可以产生触发时间晃动小于10 ps、电压幅值变化小于1.2 %、亚ns量级脉冲宽度的稳定超短电脉冲.分析了触发光脉冲能量起伏对光电导开关产生超快电脉冲电压幅值的影响，指出通过控制光电导开关的触发条件和对开关的优化设计，就可以获得电压幅值稳定、时间晃动在ps量级的超快电脉冲. 关键词： 光电导开关 超快电脉冲 电压幅值稳定性 时间晃动     

光电导开关产生太赫兹电磁波双极特性分析

利用光电导体产生太赫兹电磁波(THz波)，THz远场辐射波形与光电导体材料的载流子寿命、偏置电场以及触发光有直接关系.用不同方法对低温GaAs(LT-GaAs)和半绝缘GaAs(SI-GaAs)光电导开关辐射的THz电磁波所呈现的双极特性进行了模拟计算.结果表明，LT-GaAs光电导开关辐射THz波呈现双极性的主要原因是光生载流子寿命小于一个THz波产生时间；而光生载流子寿命大于100ps的SI-GaAs光电导开关，在不同的实验条件（不同偏置电场、不同光脉冲能量）下，产生的THz波呈现双极特性的主要原因分别是载流子发生了谷间散射和空间电荷电场屏蔽. 关键词： 光电导开关 THz电磁波 载流子寿命 空间电荷屏蔽     

不同激光能量涨落对GaAs光电导开关时间抖动的影响

结合激光能量涨落对输出电脉冲涨落影响的实验,通过理论分析研究了激光能量涨落对GaAs光电导开关时间抖动特性的影响。实验中,当外加偏置电压为2 kV时,使用波长为1 053 nm、脉宽为500 ps的激光触发GaAs光电导开关,在不同的激光能量下测试能量涨落对输出电脉冲涨落的影响,通过对比分析指出激光能量的涨落与输出电脉冲涨落成正比关系。结合对光生载流子输运过程的分析,结果表明随着激光能量涨落的增加, GaAs光电导开关时间抖动也会随之增加,直到激光能量达到GaAs饱和吸收限时,能量的涨落不会再引起开关时间抖动的迅速变化。这一结论为GaAs光电导开关应用于条纹相机中提供了理论基础。     

半绝缘GaAs光电导开关非线性电脉冲超快上升特性研究

利用流体模型对光生载流子的输运进行了模拟研究,结果表明载流子在输运过程中形成的光激发电荷畴是产生电脉冲超快上升特性的主要原因.对光激发电荷畴的形成和吸收过程的进一步研究表明：1)形成过程中的光激发电荷畴增强了电子的浓度梯度;2)光激发电荷畴在被阳极吸收的过程中,光电导开关偏置电压的快速下降能促进电流上升速度.光激发电荷畴的形成和吸收两大过程共同作用下,形成了电脉冲的超快上升特性. 关键词： 光电导开关 非线性模式 光激发电荷畴 上升时间     

LT-GaAs飞秒光电导之电场响应特性

利用飞秒光电导自相关技术研究了LT GaAs飞秒光电导开关时间随外加偏置电场的变化规律 .实验结果显示当外加偏置电场从0.5×10⁴ V/cm 上升到9.5×10⁴ V/cm 时，光电导 开关时间开始在200fs附近缓慢变化再迅速增加到750fs.这是由于随着外加电场增加，Fren kel-Poole效应导致的EL2缺陷中心库仑吸引势垒降低和电场增强的碰撞电离效应显著增强 ，导致载流子俘获截面减小，载流子寿命增加之故. 关键词： 光电导自相关技术 载流子俘获时间 Frenkel-Poole效应 电子碰撞电离效应     

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。     

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。     

半绝缘GaAs光电导开关的瞬态热效应

实验用波长1064 nm,触发光能为1.0 mJ的激光脉冲触发电极间隙为4 mm的半绝缘GaAs光电导开关,当光电导开关的偏置电压达到3800 V时,开关进入非线性(lock-on)工作模式,在偏置电场和触发光能不变的条件下,开关输出稳定的非线性电脉冲,1500次触发后GaAs开关表面出现因丝状电流引起损伤的痕迹.分析认为:在一定触发光能和电场阈值条件下,开关芯片内存在两种瞬态热效应:热弛豫效应和光激发电荷畴-声子曳引效应.热弛豫时间很短,在皮秒甚至亚皮秒量级,热弛豫过程导致了热传导的弛豫行为;当光激发电荷畴以10⁷ cm/s的速度从阴极向阳极渡越时,在这两种效应的作用下使得开关芯片瞬态温度变化发生了弛豫振荡现象.光激发电荷畴-声子曳引效应在位错运动方向上传播,声子流携带的热能集中在移动的平面内,使得移动区域温度升高,移动轨迹经多次叠加累积呈现出丝状的损伤痕迹. 关键词： 半绝缘GaAs光电导开关 热弛豫效应 光激发电荷畴-声子曳引效应 丝状电流     

基于Parylene C的单触发开关性能实验研究

为了研制具有高导通电流和高导通速率能力的单触发开关,利用微加工技术制备了基于Parylene C的三明治结构单触发开关。在主回路充电电压1.0~1.6kV的范围内,分析了开关触发回路电流、电压特性,导通峰值电流、上升时间、开关延迟时间,并且对单触发开关的电感、电阻做了估算。结果表明,基于Parylene C的单触发开关性能优于基于聚酰亚胺的单触发开关;随着开关加载电压的升高,开关导通的峰值电流呈现不断增大的趋势,但是上升时间几乎不变,其延迟时间分布在1~200μs之间,呈随机性分布,开关电阻随其作用时间增加不断增大。     

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.     

负微分迁移率和碰撞电离对GaAs光导开关非线性特性的影响

对GaAs光导开关非线性工作时,负微分迁移率和碰撞电离的作用进行了数值分析,给出了考虑和未考虑碰撞电离作用时的外电路电流输出波形,以及载流子和电场的空间分布和随时间演变的情况.计算表明GaAs材料的负微分迁移率引起的微分负阻,会导致阴极附近电场的动态增强,使得阴极附近的电场达到本征碰撞电离发生的阈值电场,从而引发本征碰撞电离的发生.分析结果表明,碰撞电离可以极大地延长电流输出的时间,但仅考虑负微分迁移率特性的本征碰撞电离过程不足以完全解释观察到的所有非线性现象,必须进一步考虑其它高电场效应.     

光电导开关工作模式的蒙特卡罗模拟

利用二维ensemble-Monte Carlo方法模拟了直流偏置的半绝缘GaAs(SI-GaAs)光电导开关在飞秒激光脉冲触发下的两种工作模式.结果表明：当偏置电场低于耿氏电场(GaAs为4.2kV/cm)时，开关输出电脉冲呈线性模式；偏置电场超过耿氏电场但触发光脉冲能量低于光能阈值，光电导开关仍然表现出线性工作模式；当偏置电场和触发光脉冲能量都超过非线性模式(“lock-on”模式)所需阈值，开关呈现非线性模式；在光子能量较高的激光脉冲触发下，开关非线性模式所需光能阈值降低.非线性工作模式源于光生载流子发生谷间散射，并在开关体内局部区域形成高场区，电场变化大，弛豫时间长，电脉冲呈现非线性.     

用红外激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关的实验研究

报道了用光子能量低于GaAs禁带宽度的红外激光脉冲，触发电极间隙为3mm和8mm的半绝缘GaAs光电导开关的实验结果。使用单脉冲能量为1.9mJ的1 064nm Nd:YAG激光触发开关， 在偏置电压分别为3kV和5kV条件下，光电导开关分别工作于线性和非线性模式。用900nm半导体激光器和1 530nm掺铒光纤激光器分别进行触发实验，得到了重复频率分别为5kHz和20MHz的电脉冲波形。结果表明，半绝缘GaAs光电导开关可以吸收大于本征吸收限波长红外激光脉冲。