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.     

高压超大电流光电导开关及其击穿特性研究

研制了耐压达32 kV,通态峰值电流达3.7 kA的高压超大电流半绝缘GaAs光电导开关.分析了光电导开关在强场下的击穿机理,指出对于间接能带间隙光导材料(如Si)制作的光电导开关,开关的击穿电压主要由陷阱填充限制电导模型决定.而对于直接能带间隙光导材料(如GaAs,InP等)制作的光电导开关,开关击穿主要是由开关体负阻效应在开关阳极产生的空间电荷累积所导致的开关阳极电场剧增引起的.基于转移电子效应对GaAs光电导开关击穿电压进行了理论计算,计算结果与实验相一致. 关键词： 光电导开关 击穿 转移电子效应 陷阱填充     

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     

GaAs光导开关锁定模式阈值条件

采用脉冲测试电路,测试了半绝缘GaAs光导开关(PCSS)在锁定工作模式下的偏置电场及触发光能阈值.测试结果表明,在一定光能范围内,电场阈值随光能阈值的增大类似于指数关系减小;激励光能在数10μJ下,半绝缘光导开关偏置电场阈值为9 kV/cm.当激励光脉冲能量大于0.78mJ时,光导开关在不同偏压下都不能工作于锁定工作...     

半绝缘GaAs光电导开关的超线性时间响应分析

报道了用1064nm激光脉冲触发电极间隙为3mm的横向半绝缘GaAs 光导开关的实验结果.对半绝缘GaAs光电导开关的超线性时间响应特性做了分析,表明半绝缘GaAs材料EL2能级对电子和空穴的俘获截面有较大的差异,这种较大的差异造成开关对激光脉冲的超快响应.     

高增益双层组合GaAs光电导开关设计与实验研究

设计制备了一种由双层半绝缘GaAs:EL2晶体组成的新型超快光电导功率开关.由于触发状态下双层GaAs晶体之间满足动态分压关系,使该开关在强电场偏置下触发时,双层GaAs晶体既能先后发生高增益过程,又能相互抑制对方进入锁定状态,开关输出为近似方波的双峰脉冲.因此,这种开关的工作方式既具有非线性模式特有的所需触发光能小、上升速度快等优点,又具有线性模式特有的重复工作频率高、使用寿命长等优点.偏压6500V时用脉宽8ns、能量3mJ的1064nm激光触发,输出电脉冲的上升沿为13.2ns,下降沿为54.6ns 关键词： 光电半导体开关 高增益 锁定效应     

非线性光导开关的实验研究

本文简要介绍非线性光导开关的工作原理,重点报道作者对非线性光导开关输出特性的实验研究.比较了光导开关线性和非线性工作的输出特性,给出了非线性光导开关的输出电脉冲波形,研究了影响非线性光导开关输出电脉冲上升时间、延迟时间的因素,测得了偏压阈值与激励光脉冲能量阈值的关系,指出利用非线性光导开关研制成一种全新的、固态化的高压、高功率超短电脉冲产生器的可能性.     

深能级杂质对光导半导体开关非线性特性的影响

建立了非线性GaAs光导开关深能级杂质瞬态模型的基本方程,获得了与实验现象定性吻合的电流输出,给出了平均载流子随时间演化的情况.分析结果表明,在考虑了深能级杂质的俘获、发射和碰撞电离后,有可能对非线性光导开关中发生的一系列现象做出解释,进一步的仔细分析将对非线性光导开关的设计和制作提供理论指导.     

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。     

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     

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。     

大功率光导开关研究

设计了横向结构的半绝缘GaAs光导开关和SiC光导开关。在不同的直流偏置电压下,使用波长为1 064 nm的激光脉冲触发使开关导通,研究了非本征光电导方式下GaAs光导开关和SiC光导开关的光电导特性。实验中获得了GaAs光导开关的暗态伏安曲线和200~1 100 nm波长范围内吸收深度随波长的变化曲线,得到了大功率GaAs光导开关在线性模式和非线性模式下的电流波形,并进行了比较,讨论了非线性模式下大功率GaAs光导开关的奇特光电导现象。对非本征光电导方式下的SiC光导开关进行了初步实验研究,得到了偏置电压3.6 kV下开关的电压和电流波形。     

Research on electrical pulse of 20-kV/30-Hz GaAs photoconductive switches

Photoconductive semiconductor switches (PCSSs) are widely used in high power ultra-wideband source applications and precise synchronization control due to their high power low-jitter high-repetition-frequency. In this letter, a 14-mm gap semi-insulating GaAs PCSS biased under 20 kV is triggered by a 1064-nm laser with a repetition frequency of 30 Hz. Although the trigger condition is greater than the threshold of the lock-on effect, the high gain mode is not observed. The results indicate that the high gain mode of the PCSS is quenched by decreasing the remnant voltage of pulsed energy storage capacitor.     

光导开关研究进展及其在脉冲功率技术中的应用

 概述了GaAs光导开关的发展历史,通过对GaAs和SiC进行比较指出,SiC由于禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速度大、热导率高等优势被认为是更好的光导开关材料。比较了本征光电导和非本征光电导的不同之处,报道了利用本征光电导和非本征光电导的SiC光导开关的最新进展。介绍了光导开关在超宽带源和紧凑型脉冲功率系统中的应用,提出了SiC光导开关进一步发展的关键技术并进行了展望。     

影响高功率光导开关临界频率热因素的数值分析

基于时域有限差分法(FDTD)对非线性模式面结构砷化镓光导开关的热传导过程进行了数值模拟。研究了光导开关临界频率与电流丝位置、半径、数量、芯片尺寸、环境温度等参数的关系。研究表明:临界频率随电流丝半径、数量的增加,呈指数上升趋势;临界频率随着电流丝深度、芯片厚度的增加,呈指数下降趋势;临界频率在一定范围内随环境温度的增加呈线性下降趋势。     

High Current Operation of a Semi-insulating Gallium Arsenide Photoconductive Semiconductor Switch Triggering a Spark Gap

A transient peak current as high as 5.6 kA is obtained by a GaAs photoconductive semiconductor switch （PCSS） in series with a spark gap. Based on the characteristics of the GaAs PCSS, mechanisms of discharge between the PCSS and the spark gap are discussed. It is implied that a hybrid operation mode of photo-activated charge domain occurs due to the superposition of the bias voltage and the instantaneous radio frequency voltage.