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     

基于光导开关及层叠Blumlein线的纳秒脉冲源

设计了一台层叠Blumlein线型脉冲功率源。该脉冲源以平板型Blumlein线为储能器件,使用4个GaAs光导开关作为脉冲形成开关,通过4级Blumlein线层叠结构以获得更高输出电压。分别使用10 mm及3 mm间隙光导开关进行实验,比较了PSpice电路仿真与实验结果。实验测试显示,10 mm开关充电23.5 kV时上升沿较大,可能的原因是偏置电场较低时开关导通时间较长。测试了不同工作电压下功率源的输出电压,结果显示:在10 mm间隙开关条件下,充电23.5 kV时,负载上得到了53 kV的高压脉冲输出;3 mm开关充电13.9 kV时输出电压39.4 kV,输出效率70%。实验结果表明, 随着工作场强的提高,电压输出效率呈现先下降后上升最终趋于饱和的趋势。     

用于反应堆中子/γ 射线混合场测量的涂硼电离室性能

近年来,涂硼电离室已逐渐成为核反应堆周围大通量中子/γ射线混合场监测的辐射探测器之一. 研制了一种高灵敏度涂硼电离室,并给出了其内部结构.用fA级弱电流放大器测得: 当涂硼电离室的工作电压在700 V以下时,漏电流小于1.0 pA; 用Am-Be中子源辐照时测得涂硼电离室的电流曲线坪长为500 V, 坪斜为3.72×10^-4 V^-1;当涂硼电离室的工作电压为400 V时, 对应漏电流为0.4 pA.测试表明涂硼电离室中子信号电流与辐照源的相对位置有关, 将Am-Be中子源置于距石蜡慢化体底部8 cm时,测得中子信号电流最大值为2.0 pA. 用¹³⁷Cs和⁹⁰Sr辐照时测得涂硼电离室γ射线信号电流为 1.0---2.0 pA,但在γ射线场中坪特性不如中子场中坪特性明显. 电离室中子探测灵敏度达1.0×10^-15 Acm²s量级, γ射线探测灵敏度达9.0× 10^-22 Acm²s·eV^-1量级. 这种涂硼电离室漏电流小、灵 敏度高、坪特性好,可用于反应堆周围的中子/γ射线混合场测量.     

虚阴极产生微波的一些基本特性

用Vlasov-Poisson方程对相对论电子束在单板、双板间的传播过程进行了数值模拟,给出了单板模型空间电荷积累最大的位置,不同位置上的电流J、电子数密度n、电场E的振荡频率随入射电子数密度n₀、入射速度v₀的变化关系,双板模型空间电荷积累最大的位置,J、n、E的振荡频率随入射流J₀及两板间距离的变化关系。虚阴极位置的数值结果与稳态理论给出的结果相近,它的振荡频率符合经验公式(1~√2π)ω_peb。单板时入射电子数密度按速度服从高斯分布,能散△E_n/E_n < 10%时的数值结果给出与单能情况基本相同的结论。     

高能电子辐射下聚四氟乙烯深层充电特性

介质深层充放电现象是诱发航天器异常故障的重要因素之一.分析了高能电子辐射下介质内部电荷沉积、能量沉积特性和电导特性,考虑了真空与介质界面电荷对电场分布的影响,建立了介质二维深层充电的物理模型,并基于有限元方法实现了数值计算.计算了高能电子辐射下聚四氟乙烯的深层充电特性.结果表明:真空环境下,介质的表面存在较弱的反向电场,随着介质深度增大,电场减小至零,随后逐渐增大,最大值出现在靠近接地附近,但在接地点,电场存在小幅降低.分析了不同辐射时间下(1 h,1 d,10 d和30 d),介质内部最大电位和最大电场的时空演变特性.随着辐射时间的增加,最大电位由-128V增加至-7.9×104V,最大电场由2.83×105V·m-1增加至1.76×108V·m-1.讨论了入射电子束流密度对最大电场的影响,典型空间电子环境(1×10-10A·m-2)下,电子辐照10 d时,介质内部最大电场为2.95×106V·m-1.而恶劣空间电子环境(2×10-8A·m-2)下,电子辐射42 h,介质内部最大电场即达到108V·m-1,超过材料击穿阈值(约为108V·m-1),极易发生放电现象.该物理模型和数值方法可以作为航天器复杂部件多维电场仿真的研究基础.     

量子计算正三角形腔内的氢负离子光剥离截面

用传统量子力学方法研究了横截面为正三角形的腔内氢负离子光剥离, 得到了光剥离截面随能量变化的解析表达公式. 该公式还给出了剥离截面的阈值行为. 进一步研究发现, 当氢负离子处于正三角形一角附近时, 用量子力学方法得到的结果与氢负离子处于60°角域内时使用闭合轨道理论得到的结果一致.     

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。     

Comparison of velvet- and cesium iodide-coated carbon fibercathodes

Presents results of an experimental comparison of a velvet cathode- and a carbon fiber cathode-coated with cesium iodide (CsI) salt. Each cathode had a planar geometry, with similar emission areas. The cathodes were tested at electric field strengths of 50 kV/cm at anode-cathode (A-K) gaps of 4.0 cm. The applied voltage had a 1-μs duration and the pulser was operated at up to a 1-Hz repetition rate. The system had a low base pressure (<1.0×10^-7 torr). This paper reports the results and comparisons of experiments on each cathode. We address the current and voltage characteristics, the shot-to-shot reproducibility, the pressure evolution of the diode under 1-Hz operation, and the lifetime of the cathodes     

PPV中极化子动力学方程的龙格-库塔求解

构造求解-阶微分方程组初值问题的八阶龙格-库塔递推公式,结合描述有机分子运动的-维紧束缚模型,研究PPV原子链中极化子的形成及运动.对碳原子数N=160的PPV原子链,由可控步长八阶龙格-库塔公式求解2N(2N+1)=102720个方程组成的方程组,用Fortran语言编程计算,得到稳定的极化子结构和运动图像;在场强E=1×105V·cm^-1的电场作用下,极化子沿分子链的运动速率约为0.2635Å·fs^-1.计算结果表明,八阶龙格-库塔方程可以有效地用于有机分子链中载流子运动的模拟.     

具有p-GaN岛状埋层耐压结构的横向AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)相对较低的击穿电压严重限制了其大功率应用.为了进一步改善器件的击穿特性,通过在n-GaN外延缓冲层中引入六个等间距p-GaN岛掩埋缓冲层(PIBL)构成p-n结,提出一种基于p-GaN埋层结构的新型高耐压AlGaN/GaN HEMT器件结构.Sentaurus TCAD仿真结果表明,在关态高漏极电压状态下,p-GaN埋层引入的多个反向p-n结不仅能够有效调制PIBL AlGaN/GaN HEMT的表面电场和体电场分布,而且对于缓冲层泄漏电流有一定的抑制作用,这保证了栅漏间距为10μm的PIBL HEMT能够达到超过1700 V的高击穿电压(BV),是常规结构AlGaN/GaN HEMT击穿电压(580 V)的3倍.同时,PIBL结构AlGaN/GaN HEMT的特征导通电阻仅为1.47 m?·cm~2,因此获得了高达1966 MW·cm~(-2)的品质因数(FOM=BV~2/R_(on,sp)).相比于常规的AlGaN/GaN HEMT,基于新型p-GaN埋岛结构的HEMT器件在保持较低特征导通电阻的同时具有更高的击穿电压,这使得该结构在高功率电力电子器件领域具有很好的应用前景.     

含新型噁二唑类电子传输层的有机发光二极管性能研究

含吡啶基的噁二唑类材料(PDPyDP)作为一种新型的电子传输层被有效地应用于可溶性聚对苯乙炔(MEHPPV)为发光层的双层结构的有机发光二极管器件中,并将其光电性能与MEHPPV的单层结构器件及分别含苯环(PDPDP)和反1,2亚乙烯基(PDVDP)的另外两种二唑类电子传输层的双层结构器件进行比较.EL光谱测量表明,它们的发光均来自于MEHPPV层,而它们相似的器件电流和光输出随驱动电场变化的规律表明这些器件中相似的电荷转移过程,但电致发光阈值电场对于双层结构器件来说低于单层结构器件,而插入PDPyDP层的器件,其阈值电场最低.在电流密度为50mA/cm²时,单层器件及各插入PDVDP、PDPDP和PDPyDP的双层器件的外量子效率相对值分别为3×10^-3%,5×10^-3%,2×10^-2%和0.1%.并分析了插入PDPyDP使器件发光性能提高最为明显的原因.通过将此类器件的结构等作进一步优化,其最佳量子效率可高达1.44%.     

Double-step behavior of critical current vs. magnetic field in Y-, Bi- and Tl-based bulk high-Tc superconductors

A double step characteristic is observed at 76 K in the transport critical current as a function of magnetic field (10^-4 T to 10 T) in bulk sintered Y-, Bi- and Tl-based high-T_c superconducting materials. The low-field, step-like drop in the critical current density J_c commences at magnetic fields B between about 0.3 and 2 mT. This is followed by a plateau region of relatively constant critical current extending from about 30 to 300 mT, and then a second drop at fields between about 0.3 and 10 T. These features occur for all three superconductor materials and are interpreted respectively as a self-field/weak-link regime, a remnant percolation path regime and a flux-flow/upper-critical-field regime. The sharpness of the transition of the voltage-current (V-I characteristic, represented by the transition parameter n (i.e., V∝Iⁿ), has a similar double-step shape as a function of magnetic field directly corresponding to the features of the J_c(B) characteristic.     

基于窄带隙聚合物的高性能可见-近红外光伏探测器

聚合物光伏探测器是一种极具应用前景的新型光电探测器件.研究了基于窄带隙聚合物的高性能可见-近红外光伏探测器,结果表明,所制备的光伏探测器在可见至近红外光谱范围内具有宽的光谱响应(380—960 nm)、出色的响应度(840 nm时达到380 mA/W)和归一化探测度;同时,器件在暗态反偏条件下的能级示意图揭示了器件内平均电场较低是较厚光敏层器件具有低噪声电流的主要原因.电容-电压与时间周期性响应曲线研究表明聚合物光伏探测器具有快速的响应能力和良好的周期重复性.     

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 。     

On the Hebb–Wagner polarisation of SrTiO3 doped with redox-active ions

Hebb–Wagner polarisation is analysed for the case that internal redox-reactions complicate the situation. In the general case current–voltage characteristics deviate significantly from the Hebb–Wagner equation. Analytical results are derived and relevant approximations given. Theoretical and experimental current–voltage relations obtained for a 2.15×10¹⁸ cm⁻³ Fe-doped SrTiO₃ single crystal at P_O2=10⁵ Pa, agree reasonably well, and the results of the partial conductivities match findings obtained from other experiments. In addition, the fact is emphasised that a Hebb–Wagner-type current–voltage relation only requires the fulfilment of a power law for the non-blocked carrier concentrations with respect to the component partial pressure and not a field-free situation. In this case the Faraday constant appearing in the Hebb–Wagner equation has to be replaced by F, where is the product of the number of electrons necessary to ionise the gaseous component (n) times the absolute characteristic exponent (|N|). The condition of zero field, i.e. negligible chemical potential gradient with respect to the non-blocked species is identical to |N|=1/n. If |N|=const≠1/n, the internal field is non-zero but is still proportional to the gradient of the component potential.     

Experimental observation of high-voltage, low-current vacuum arcs

A poorly explored type of discharge has been investigated in high vacuum (10^-7 to 10^-6 torr), with a DC high voltage across 0.2- to 0.8-mm gaps. The discharge has been found to be quite different from other widely known types of vacuum and gas discharges by the combination of its voltage-current characteristics (hyperbola-type), source and carriers of current (mostly electrons), and spatial potential distribution (a considerable electric field across the gap and a steep potential fall near the cathode)     

氮气开关流柱形成过程的理论研究

使用蒙特卡罗-粒子模拟方法对氮气开关中的流柱形成过程进行模拟, 并结合计算结果对其进行理论分析. 发现在流柱击穿发生前(即空间电荷场远小于本底电场), 等离子体的电离频率、电子平均能量及其迁移速度等都近似为常数, 因此可以解析求解电子数密度方程对等离子体的演化行为进行分析. 在击穿发生后, 随机碰撞过程会破坏初始等离子体区域分布的对称性, 并出现分叉的等离子体区域结构. 在放电过程中, 随着等离子体密度增加, 其内部基本保持电中性且电场不断减小, 靠近阴阳极两端电荷分离产生的净电荷密度不断增加, 场强也不断增加, 且靠近阳极端的电荷密度(绝对值)和场强都大于阴极端. 通过改变极板间电压发现, 平均电子能量随极板间场强增加而增加, 电子迁移速度随着场强近似线性增加, 电离频率随场强的变化快慢介于E⁴与E⁵之间.     

20GeS2·80Sb2S3硫系玻璃的析晶行为及动力学机理研究

实现玻璃微晶化过程控制的基础是要充分认识其析晶行为及动力学机理. 利用示差扫描量热法和析晶热处理等手段, 研究发现 20GeS₂·80Sb₂S₃硫系玻璃属于表面析晶, 在268℃(T_g+30℃)下热处理60 h, 可以获得表面约40 μm的Sb₂S₃晶层复合玻璃陶瓷样品. 在此基础上, 利用非等温法从理论上分析该玻璃的析晶动力学机理. 计算得到其析晶活化能E_c为(223.6±24.1)kJ·mol^-1, 在热处理温度(268℃)下的析晶速率常数K为1.23×10^-4 s^-1, 属于较难析晶的玻璃组成; 玻璃的晶体生长指数m和晶体生长维数n均为2, 表明其Sb₂S₃相的析晶行为是二维生长过程, 与析晶实验结果完全相符. 由此可知, 对于Sb₂S₃晶体复合的硫系玻璃陶瓷样品可通过玻璃粉末压片烧结、带铸法或丝网印刷法制备获得, 为今后功能硫系玻璃的开发提供实验依据和理论指导. 关键词： 硫系玻璃 微晶化 析晶动力学 析晶行为     

Improved device performance of recessed-gate AlGaN/GaN HEMTs by using in-situ N2O radical treatment

The N₂O radicals in-situ treatment on gate region has been employed to improve device performance of recessed-gate AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors (HEMTs). The samples after gate recess etching were treated by N₂O radicals without physical bombardment. After in-situ treatment (IST) processing, the gate leakage currents decreased by more than one order of magnitude compared to the sample without IST. The fabricated HEMTs with the IST process show a low reverse gate current of 10^-9 A/mm, high on/off current ratio of 10⁸, and high f_T×L_g of 13.44 GHz· μm. A transmission electron microscope (TEM) imaging illustrates an oxide layer with a thickness of 1.8 nm exists at the AlGaN surface. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurement shows that the content of the Al-O and Ga-O bonds elevated after IST, indicating that the Al-N and Ga-N bonds on the AlGaN surface were broken and meanwhile the Al-O and Ga-O bonds formed. The oxide formed by a chemical reaction between radicals and the surface of the AlGaN barrier layer is responsible for improved device characteristics.