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。     

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。     

低导通电阻4H-SiC光导开关

研制了以4H-SiC为基底材料的同面型光导开关,研究了磷离子注入对器件性能的影响。测试结果表明,采用磷离子注入能够有效降低电极处的体电阻,光导开关单位电极间隙的最小导通电阻为3.17!/mm。实验研究了偏置电压和光脉冲能量对导通电阻的影响,在偏置电压10kV、光能量为30.5mJ的条件下,器件的输出功率超过2.0 MW。结果表明,研制的开关具有输出波形稳定、抖动小、功率大等特点。     

V掺杂6H-SiC光导开关制备与性能研究

采用V掺杂半绝缘6H-SiC单晶衬底材料制备了平面电极型大功率SiC光导开关,用强度为150μJ/mm2、波长为355nm的脉冲激光对开关进行触发,在1~14kV的外加电压范围内对光导开关的耐压特性、导通电阻等性能进行了研究。结果表明:随着开关外加电压的升高,开关的电流峰值呈现不断增大的趋势,当开关外加电压为14kV时,电流峰值达185A,对应的光导开关峰值功率为2.59MW,开关的导通电阻约为22Ω。     

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 。     

用光激开关产生一高功率亚纳秒电脉冲的研究

报道了用全固态绝缘结构研制的横向型半绝缘GaAs光电导开关产生高功率亚纳秒电脉冲的性能和测试结果.8mm电极间隙的开关暗态绝缘强度达30kV.分别用ns,ps和fs激光脉冲触发开关的测试表明,开关输出电磁脉冲无晃动.3mm电极间隙开关的最短电流脉冲上升时间小于200ps,脉宽达亚ns;在偏置电压2000伏,光脉冲宽度8ns,能量1.2mJ的触发条件下,峰值电流达560A.用重复频率为76MHz和108Hz的光脉冲序列触发开关也获得清晰的电流脉冲序列.     

用光激开关产生高功率亚纳秒电脉冲的研究

 报道了用全固态绝缘结构研制的横向型半绝缘GaAs光电导开关产生高功率亚纳秒电脉冲的性能和测试结果。8mm电极间隙的开关暗态绝缘强度达30kV。分别用ns, ps和fs激光脉冲触发开关的测试表明,开关输出电磁脉冲无晃动。3mm电极间隙开关的最短电流脉冲上升时间小于200ps,脉宽达亚ns;在偏置电压2000伏,光脉冲宽度8ns、能量1.2mJ的触发条件下,峰值电流达560A。用重复频率为76MHz和10⁸Hz的光脉冲序列触发开关也获得清晰的电流脉冲序列。     

半绝缘GaAs光电导开关体内热电子的光电导振荡特性

用波长为532 nm、脉冲宽度为5 ns的超短激光脉冲触发电极间隙为4 mm的半绝缘GaAs光电导开关,开关偏置电压从500 V开始以步长50 V逐渐增加,直到开关出现非线性电脉冲输出.研究表明,线性和非线性电脉冲波形均呈现出在经历一个主脉冲之后,其后跟随几个幅值较小且具有周期性和不同程度的减幅振荡.分析了开关体内载流子（热电子）的微观状态和输运过程,在直流偏置电场作用下,开关体内的热电子在电子-电子、电子-声子相互作用过程中,当它们的弛豫时间大于载流子的寿命时, 光电子的输运可通过迁移率变化引起光电导振荡, 这是开关输出电脉冲出现振荡的原因. 关键词： 光电导开关 热电子 弛豫 光电导振荡     

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。     

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。     

11kV大功率SiC光电导开关导通特性

采用高质量半绝缘碳化硅(SiC)单晶材料制作了超快高耐压大功率SiC光电导开关。应用氟化氪准分子脉冲激光器作为激发光源,得到了脉宽为40 ns,上升沿为9.6 ns的超快响应的电脉冲,开关的上升沿存在两个不同阶段。测试开关两端电压从1 kV到10 kV时开关导通的电压波形表明,开关的导通电阻随电压的增加不发生明显变化,开关在导通态时导通电阻在12Ω左右。采用92Ω精密电阻作为负载,计算得到开关两端外加11 kV电压时通过其电流峰值高达159 A,此时峰值功率达到1.4 MW,在此范围内未出现载流子饱和现象。     

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     

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。     

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。     

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.     

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.