高压GaAs光导开关的锁定及延迟效应机理分析

利用二维器件模拟程序MEDICI对GaAs光导开关（PCSS's)的动态非线性特性，特别是高场下呈现出的锁定及延迟效应的工作机制进行了仿真研究，仿真结果表明深能级陷阱能显著影响开关中的电场，载流子，电流密度等分布，引起电流的延迟，使开关中某些区域的电场动态增强，并足以达到雪崩的强度，从而引起载流子雪崩倍增，并在外电路的作用下，使开关进入锁定状态，仿真结果与实验现象基本相符，由此得出结论：高压GaAs光导开关实验中所观察到的锁定及延迟等现象均与开关材料中故意或非故障引入的深能级陷阱密切相关。     

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.     

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.     

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     

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。     

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.     

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     

LT-GaAs飞秒光电导之电场响应特性

利用飞秒光电导自相关技术研究了LT GaAs飞秒光电导开关时间随外加偏置电场的变化规律 .实验结果显示当外加偏置电场从0.5×10⁴ V/cm 上升到9.5×10⁴ V/cm 时，光电导 开关时间开始在200fs附近缓慢变化再迅速增加到750fs.这是由于随着外加电场增加，Fren kel-Poole效应导致的EL2缺陷中心库仑吸引势垒降低和电场增强的碰撞电离效应显著增强 ，导致载流子俘获截面减小，载流子寿命增加之故. 关键词： 光电导自相关技术 载流子俘获时间 Frenkel-Poole效应 电子碰撞电离效应     

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     

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.     

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.     

Photon-activated charge domain in high-gain photoconductive switches

We report our experimental observation of charge domain oscillation in semi-insulating GaAs photocon-ductive semiconductor switches (PCSSs). The high-gain PCSS is intrinsically a photon-activated charge domain device. It is the photon-activated carriers that satisfy the requirement of charge domain formation on carrier concentration and device length product of 1012 cm-2. We also show that, because of the repeated process of domain formation, the domain travels with a compromised speed of electron saturation velocity and the speed of light. As a result, the transit time of charge domains in PCSS is much shorter than that of traditional Gunn domains.     

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     

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.     

GaAs与InP半导体光导开关特性实验研究

利用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)及其掺杂材料制作的光导开关具有很好的时间响应及高功率输出特性.比较了这两种材料制作的不同电极间隙类型的光导开关的开关时间响应速度、导通光能与饱和触发激光能量、线性与非线性工作模式及触发稳定性等特性.结果表明,利用InP和GaAs两种材料制作的光导开关都具有达到皮秒级的超快时间响应,其对时间最佳响应与偏置电场有关.两种开关的多次触发时间抖动在几个皮秒范围,输出电压峰峰值抖动优于10%.GaAs开关的非线性工作电场阈值比InP开关低,更容易实现非线性输出.