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     

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.     

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     

用1064nm激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关的研究

报道了用1064nm激光脉冲触发电极间隙为8mm的半绝缘GaAs光电导开关的实验结果.在触发光能为1.9mJ,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,结果表明半绝缘GaAs光电导开关可以吸收1064nm波长的激光脉冲.讨论了半绝缘GaAs材料对1064nm激光脉冲的非本征吸收机制,指出GaAs材料禁带内的EL2深能级和双光子吸收对半绝缘GaAs吸收1064nm光脉冲起主导作用.     

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。     

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。     

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。     

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     

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.     

半绝缘GaAs光电导开关产生太赫兹波电场屏蔽效应的二维Monte Carlo模拟

利用Ensemble-Monte Carlo模拟方法，对不同实验条件下半绝缘GaAs(SI-GaAs)光电导开关作为偶极辐射天线在辐射太赫兹电磁波(太赫兹波)中体内电场的分布以及空间电荷屏蔽效应对太赫兹波辐射的影响进行了模拟.载流子的时域空间电场分布表明:用高能量激光脉冲触发低压偏置的GaAs开关，空间电荷屏蔽是限制太赫兹波辐射功率的一个重要因素，并且空间电荷屏蔽能够引起太赫兹波呈现双极性.当高能量飞秒激光脉冲以全电极间隙触发大孔径光电导天线时，空间电荷电场屏蔽效应对太赫兹波的影响不大. 关键词： 光电导开关 Ensemble-Monte Carlo模拟 辐射场屏蔽 空间电荷屏蔽     

50 kV半绝缘GaAs光导开关

 设计了横向结构的半绝缘GaAs光导开关,开关由600 μm厚的半绝缘GaAs晶片制成,电极间隙为20 mm。在不同的直流偏置电压下,使用波长为1 064 nm、能量为9.9 mJ的激光脉冲触发使开关导通,开关置于0.2 MPa的SF6气体环境中。在施加直流50 kV电压的情况下,使用Rogowski线圈测得开关的最大导通电流为1.1 kA。对实验结果进行分析表明：随着初始偏置电压的升高,回路流过的电荷与电容初始储存的电荷的比值不断提高,但都没有达到100%,即非线性模式下光导开关的关断原因并不是由于外电路的能量已经耗尽。对非本征光电导的情况,计算出开关的通态电阻为2.71 Ω。     

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。     

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。     

50 kV半绝缘GaAs光导开关

设计了横向结构的半绝缘GaAs光导开关,开关由600 μm厚的半绝缘GaAs晶片制成,电极间隙为20 mm。在不同的直流偏置电压下,使用波长为1 064 nm、能量为9.9 mJ的激光脉冲触发使开关导通,开关置于0.2 MPa的SF6气体环境中。在施加直流50 kV电压的情况下,使用Rogowski线圈测得开关的最大导通电流为1.1 kA。对实验结果进行分析表明：随着初始偏置电压的升高,回路流过的电荷与电容初始储存的电荷的比值不断提高,但都没有达到100%,即非线性模式下光导开关的关断原因并不是由于外电路的能量已经耗尽。对非本征光电导的情况,计算出开关的通态电阻为2.71 Ω。     

Roles of voltage in semi-insulating GaAs photoconductive semiconductor switch

An experimental study of leakage current is presented in a semi-insulating(SI) Ga As photoconductive semiconductor switch(PCSS) with voltages up to 5.8 kV(average field is 19.3 kV/cm). The leakage current increases nonlinearly with the bias voltage increasing from 1.2×10~(-9)A to 3.6×10~(-5)A. Furthermore, the dark resistance, which is characterized as a function of electric field, does not monotonically decrease with the field but displays several distinct regimes. By eliminating the field-dependent drift velocity, the free-electron density n is extracted from the current, and then the critical field for each region of n(E) characteristic of PCSS is obtained. It must be the electric field that provides the free electron with sufficient energy to activate the carrier in the trapped state via multiple physical mechanisms, such as impurity ionization, fielddependent EL2 capture, and impact ionization of donor centers EL10 and EL2. The critical fields calculated from the activation energy of these physical processes accord well with the experimental results. Moreover, agreement between the fitting curve and experimental data of J(E), further confirms that the dark-state characteristics are related to these field-dependent processes. The effects of voltage on SI-Ga As PCSS may give us an insight into its physical mechanism.     

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。     

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。     

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。     

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。     

正对电极结构碳化硅光导开关的电路模型

利用SilvacoTCAD软件,在532 nm激光辐照下,对正对电极结构6H-SiC光导开关（SiC-PCSS）瞬态电流电场的分布及不同光功率下的伏安特性进行了仿真。结果表明：载流子速率在强场下达到饱和,并且电流电场在主要电流区域沿垂直于激光辐照方向均匀分布。提出SiC-PCSS电路模型的建模依据,可以近似条件化简得到PCSS电阻一般表达式的解,建立SiC-PCSS载流子迁移率随电场变化的PSpice模型,分析讨论了外电路参数对SiC-PCSS导通过程的影响。该模型模拟结果与已有实验结果吻合良好。