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。     

高增益砷化镓光导开关中的光致电离效应

研究了光致电离在高增益本征砷化镓(GaAs)光导开关(PCSS)中的效应.在高增益本征砷化镓光导开关中,各级流注发展由三个过程组成:光致电离、畴电子崩(DEA)和载流子碰撞电离雪崩生长.光致电离在本征砷化镓绝缘区中产生局部高载流子密度区域,提供了允许畴存在的局域环境.光致电离包括激光触发和流注的复合辐射两种情形.分析了光导开关的最优触发激光条件.通过计算机数值模拟,计算了在距离流注表面y≤30 μm的范围内,平均光生载流子密度n(t=0)乘以该局域的特征尺度满足偶极畴成核条件:n(t=0)·y>1012 cm-2;探讨了流注的复合辐射在流注周围产生非平衡载流子的规律;发现了触发区域沿电场方向的长度阈值LEC,触发区域的特征长度LE必须满足条件:LE≥LEC.     

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。     

影响碳化硅光导开关最小导通电阻的因素

采用2种电阻率的钒掺杂半绝缘6H-SiC晶体制作了横向结构的碳化硅光导开关,分别加载不同的偏压、并使用不同能量的激光触发开展光电导实验。对比实验结果表明:高暗态电阻率的碳化硅光导开关耐压特性远远优于低暗态电阻率的碳化硅光导开关,耐压从4 kV提高到了32 kV;但高暗态电阻率的开关导通电阻也较大,导通电阻为k量级,比低暗态电阻率的碳化硅光导开关的近百增加了1个量级。通过激光脉冲波形与光电流脉冲波形的比较,估算出2种光导开关的载流子寿命和载流子迁移率。将这2个参数与砷化镓光导开关进行比较,推导出低的载流子迁移率是碳化硅开关导通电阻较大的主要原因。在实验和分析的基础上改进设计,研制出了工作电压超过10 kV、工作电流超过90 A的碳化硅光导开关。     

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。     

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.     

用于超短脉冲CO_2激光的半导体光开关理论建模与数值分析

本文开展了基于半导体光开关技术实现超短脉宽CO_2激光输出的物理机制研究。首先,在分析光生载流子过程及载流子复合扩散机制的基础上,引入直接吸收、俄歇复合、等离激元辅助复合以及双极扩散等物理过程,并基于Drude理论,完善了半导体光开关理论模型。其次,利用该模型对两级半导体光开关产生超短CO_2脉冲机制进行了数值模拟及分析,结果显示该模型与国外最新实验结果一致,表明了模型的合理性与正确性。最后,利用该模型分析了控制光脉冲宽度对两级光开关工作效率的影响,发现短的控制光脉冲更有利于精确、高效地截取出高质量的超短CO_2脉冲。本文研究证明半导体光开关法是实现超短CO_2激光脉宽可调输出的有效技术途径。     

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.     

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     

激光触发能量对横向结构4H-SiC光导开关导通电阻的影响

采用钒掺杂半绝缘4H-SiC衬底,利用磁控溅射在硅衬底上制备了Ni/Au金属电极,并封装加工成同面型横向电极结构SiC光导开关,研究了不同激光触发能量对光导开关光电响应及导通电阻的影响。用波长532nm的激光作为触发源,当激光触发能量从26.7mJ增加到43.9mJ时,光导开关的导通电阻从295Ω降低到197Ω。利用复合理论推导出激光触发时导带中载流子浓度随时间的变化规律,并利用MATLAB模拟计算了不同触发能量下开关的导通电阻,得到了与实验较一致的结果。在此基础上,提出了降低开关导通电阻的两种途径。     

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.     

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.     

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。     

基于光导半导体的MHz高重频可调谐脉冲产生技术研究

随着微波光子学的发展,新型光导微波技术利用高重频脉冲簇激光,入射到线性光导半导体器件中产生可调谐高功率电磁脉冲的方式受到广泛关注。SiC光导半导体开关（PCSS）具有高击穿场强,高饱和载流子速率,高抗辐射能力,高热传导率和高温工作稳定性等优点,是产生高重频、高功率、超短脉冲的重要固态电子器件。介绍了一种基于钒补偿半绝缘4H-SiC PCSS的MHz重复频率亚纳秒脉冲发生器。该发生器采用1 MHz,1030 nm可调谐光脉冲宽度的激光簇驱动源,4H-SiC PCSS的厚度为0.8 mm。整系统可得到最大输出电功率176 kW、最小半高宽约为365 ps的MHz重频短脉冲。     

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。