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.     

非线性光电导开关载流子碰撞电离分析

对非线性GaAs光电导开关在锁定期间的电流成丝现象、具有负微分迁移率的速场特性、深能级的陷阱效应、光子的再吸收等因素进行分析,建立了非线性光电导开关锁定期间的连续性方程和电中性方程.基于该方程组,用有限差分法计算了偏压为2 200 V的3.5 mm GaAs∶EL2非线性光电导开关的电流实验数据,得到电流丝内载流子瞬态特性为：载流子浓度约为1017 cm－3,EL2电子陷阱近似饱和;电子电流随锁定时间明显下降,空穴电流基本不变;单位寿命时间载流子雪崩倍增因子的均值约为1.2,其统计起伏随锁定时间增大.     

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。     

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。     

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。     

非线性光导开关输出脉冲延迟时间的研究

利用非线性光导开关的雪崩注入模型，讨论了光导开关工作偏压、光导开关材料的深能级杂质浓度、光脉冲能量等参量对非线性光导开关输出脉冲延迟时间的影响，给出了一些有意义的结论。     

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.     

高压超快光导开关输出电脉冲的瞬态分析

本文从载流子连续方程出发,根据高偏压光电开关中载流子的运动以迁移为主的特点,在不同的激励光脉冲参量和开关尺寸的情况下,对开关输出电脉冲的瞬时特性进行了数值计算,为光导开关的设计和实验研究提供了依据。     

外电路参数对GaAs光导开关导通过程的影响

通过研究不同外电路参数条件下半绝缘GaAs光导开关的输出电流波形的差异,分析了外电路电参数对GaAs光导开关导通过程和工作模式的影响。实验开关由600μm厚的半绝缘GaAs晶片制成,电极间隙为12 mm。使用波长为1 064 nm,5.2 mJ的激光脉冲进行了开关的触发实验。使用皮尔森电流探头测量开关放电电流波形。实验发现储能电容、回路电感等外电路参数对开关放电电流波形存在决定性影响,回路电感影响了导通电流的上升前沿,储能电容对于开关非线性模式的维持起决定作用,储能电容较大时才能够提供非线性模式维持所需的偏置电场。     

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     

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.     

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。     

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。     

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.     

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     

一种新型的光控光导半导体开关解析模型

建立了一个新型的光控光导半导体开关（简称光导开关）解析模型,该模型通过拉氏变换求解了连续性方程,考虑了载流子的表面复合和体复合效应、载流子输运过程中的载流五－载流子散射效应和漂移速度的负微分效应、光作用过程的丹倍效应和光的反射、光强随深度的衰减效应。计算了光导开关的几个重要参考并获得了开关电流和输出电压等的波形,。计算表明光电导的关系在所谓的“线性模式”下并非是严格线性的。最后将计算结果与实验结果进行了比较,两者相符较好。     

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。     

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。     

触发区域宽度对砷化镓光导开关输出特性影响

基于TCAD数值仿真软件,建立了异面结构砷化镓光导开关（GaAs PCSS）的二维数值计算模型,研究了触发区域宽度对GaAs PCSS输出特性影响。首先分析了PCSS的瞬态导通特性,结果表明,急剧增加的载流子浓度与快速演化的空间电离畴使PCSS工作在超快速导通模式。基于此,研究了触发区域宽度对PCSS输出特性影响,结果表明,宽度变大会促进载流子密度急剧倍增和雪崩电离畴的快速演化,缩短PCSS的延迟时间和导通时间。研究分析了不同触发位置对延迟时间与导通时间影响,结果表明,阴极触发的延迟时间明显低于阳极触发,而导通时间受触发位置的影响不显著。