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.

半导体激光二极管触发GaAs光导开关

半导体激光二极管触发下砷化镓(Ga As)光导开关工作于雪崩模式,为此设计了异面体结构的Ga As光导开关以提高开关场强。设计的开关芯片厚度为2 mm,电极间隙为3 mm,利用半导体激光二极管对开关进行触发实验。当开关充电电压超过8 k V后,开关输出脉冲幅度显著增强,输出脉冲前沿快于光脉冲,开关开始雪崩工作模式。随着开关电场不断增加,开关输出电压幅值也线性增加,但开关输出波形没有改变。对开关抖动进行测试,其测试结果显示开关偏压对抖动影响很大,随着开关偏压增加,开关抖动减小,当开关偏压升至15 k V时,开关获得最小抖动约500 ps。

GaAs光电导开关非线性模式的雪崩畴输运机理

光电导开关非线性模式的产生机理研究是该领域热点问题之一.本文采用波长1064 nm、脉宽5 ns的激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关,在触发光能1 mJ、偏置电压2750 V时获得稳定的非线性波形.基于双光子吸收模型,计算了开关体内光生载流子浓度,计算结果表明光生载流子弥补了材料本征载流子的不足,在开关体内形成由光生载流子参与的电荷畴.依据转移电子效应原理,对畴内的峰值电场进行了计算,结果表明高浓度载流子可使畴内峰值电场远高于材料的本征击穿场强,致使畴内发生强烈的雪崩电离.基于光激发雪崩畴模型,对非线性模式的典型实验规律进行了解释,理论与实验一致.基于漂移扩散模型和负微分电导率效应,对触发瞬态开关体内电场进行仿真,结果表明开关体内存在有峰值电场达GaAs本征击穿场强的多畴输运现象.该研究为非线性光电导开关的产生机理及光激发电荷畴理论的完善提供实验依据和理论支撑.

用PSPICE模拟光导半导体开关的瞬态特性

通过拉氏变换求解了在高斯光脉冲激励下光导开关的载流子连续性方程 ,获得了载流子随时间和器件深度变化的解析表达式 ,再推导出光导开关的时变电阻解析表达式 ,并将该时变电阻转化为PSPICE电路模拟程序能接受的器件模型 ,实现了用PSPICE对光导开关瞬态响应特性的表征 .根据所获得的结果 。

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 .

用光导半导体开关产生高功率微波

由于光导半导体开关（PCSS）皮秒闭合和无抖动的优异特性，光控这种开关可产生高功率微波。本文描述了PCSS的三种工作模式及四种类型光作用微波源，并把它们与一般高功率微波源作了比较，最后，讨论了这类微波源的性能限制和发展前景。

采用光导半导体开关的脉冲功率系统

光导半导体开关已用于脉冲功率系统 ,如点火装置、超宽带脉冲发射机、紧凑型加速器和电感储能设备等 ,光导半导体开关为现有的脉冲功率技术提供了多方面改进。介绍了在这些应用中的开关参量和一些特殊要求 ,并讨论了试验结果。

共面型GaAs光导开关的击穿特性研究

用ANSYS软件对暴露在空气中共面型GaAs光导开关进行了模拟仿真,根据其电场分布在X方向和Y方向的剖面图可以看出:在GaAs表面、电极、空气隙3种介质的交界面是极易发生击穿的区域,特别在电极的拐角部位。对用空气和Si3N4介质包覆开关表面时的电流分布进行了模拟比较,给出了X方向剖面图,结果表明:经Si3Ni4薄膜保护的GaAs光导开关的耐压能力可提高2个数量级。对设计制作的3 mm间隙共面型GaAs光导开关进行了耐压试验研究,分别采用绝缘油、绝缘胶对光导开关进行了绝缘保护,并结合介质击穿理论对试验结果进行了分析。模拟和试验结果表明:适当的绝缘保护可以有效提高耐压特性,使绝缘强度达4 kV/mm。

砷化镓光控半导体开关

光控半导体开关在脉冲功率等方面具有广泛的应用前景，越来越受到人们的重视。本文对光控半导体开关进行了简要介绍，包括ＧａＡｓ∶Ｓｉ∶Ｃｕ开关的原理和应用；ＧａＡｓ∶Ｓｉ∶Ｃｕ基本材料的制备；开关过程中的锁定现象及其机理；以及设计和实验中的几个问题。

超快响应GaN半导体光导开关的研制

半导体光导开关(PCSS)利用半导体材料的高耐压、快速响应与高迁移率等特性,可产生大功率超窄脉冲信号。利用半绝缘GaN材料制备了异面斜对电极PCSS,通过去除芯片侧边金属化合物来减小暗态电阻,提升了PCSS暗态耐压并降低暗态漏电,采用绝缘导热封装提升器件的耐压与可靠性,研制了快拆式测试电路与夹具,实现储能、触发与低寄生同轴输出功能,提升了高频测试准确度与高频响应能力。搭建了高压宽带PCSS测试系统,测量开关线性工作特性,在5 kV偏置电压、触发激光脉冲波长为532 nm、能量为5 mJ下,GaN PCSS在50Ω负载上输出超快脉冲信号电压峰峰值大于2 kV,脉冲信号上升沿小于88 ps。

激光二极管触发GaAs光导开关导通特性

基于固态平板传输线、同轴电缆、GaAs光导开关和激光二极管触发系统,设计了两种脉冲形成线电路结构,研究了激光二极管触发条件下的GaAs光导开关的导通特性:基于GaAs光导开关的固态Blumlein脉冲形成线可输出具有快前沿的高功率、窄脉冲电压;给出了测量光导开关抖动和导通电阻的方法,测得光导开关的抖动、导通电阻都随激光能量和充电电压的增大而减小,其最小抖动约0.12ns,导通电阻为欧姆量级;测得光导开关导通电流约250～300A(平板传输线特征阻抗Z0=25?),并探索了光导开关并联分流的可行性;测量出光导开关的导通时间约0.4～0.6ns,随工作次数的增多,导通时间逐渐增大。

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 Ga As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 Ga As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 。

高倍增高压超快GaAs光电导开关中的光激发畴现象

本文首次报道了在临界触发条件下观察到的高倍增ＧａＡｓ光电导开关中的光激发畴现象．分析了畴的产生与辐射发光在Ｌｏｃｋ－ｏｎ效应中的作用．指出正是光激发畴的性质与行为决定了ＧａＡｓ光电导开关高倍增工作模式的典型现象和特性．

用1064nm激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关的研究

报道了用 1 0 64nm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 1 0 64nm波长的激光脉冲 讨论了半绝缘GaAs材料对 1 0 64nm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 1 0

大功率半导体激光器脉冲驱动电源研制

研制了一种大电流、窄脉宽的半导体激光器驱动电源,该驱动电源激励半导体激光器用于驱动砷化镓光导开关。驱动电路采用高速金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为开关,为半导体激光器提供一个前沿快(1.2 ns)、脉宽窄(15 ns)、峰值电流大(72 A)的脉冲驱动电流,并可根据需要调节电路中的参数,获得不同前沿、不同脉宽、不同峰值的电流脉冲。半导体激光器输出的激光脉冲功率可达75 W,上升前沿约3 ns,抖动均方根小于200 ps,可稳定触发工作在非线性模式下的砷化镓光导开关。

基于GaAs光导开关的纳秒脉冲源设计

以高密度聚乙烯介质平板型B线为储能器件,设计了一台层叠Blumlein传输线型脉冲功率源。以GaAs PCSS为开关,通过4级B线层叠结构实现电压倍增。单级B线阻抗25Ω,时间常数2.5 ns,功率源总阻抗100Ω。Pspice模拟表明:随着开关导通电阻上升,输出电压脉冲幅度下降,脉宽增大;随着开关转换时间增长,输出脉冲延迟时间上升,前、后沿时间增长。采用波长为1 064 nm,能量为30 mJ,脉宽为5 ns的Nd:YAG激光器触发光导开关,当充电25 kV时,负载上得到电压38 kV,上升沿1.4 ns,脉冲约5 ns的近似方波输出。

介质壁加速器用GaAs光导开关的通态电阻测量

GaAs光导开关可作为紧凑型脉冲功率系统的主要器件,如光导开关在介质壁加速器中的应用。为了研究通态电阻对开关性能的影响,采用平板传输线和同轴电缆作为脉冲形成线,测量了3 mm电极间隙的GaAs光导开关的通态电阻。测量结果表明:电极间隙为3 mm的GaAs光导开关的通态电阻为14.9Ω,光导开关通态电阻的存在将导致开关热损伤,降低脉冲功率系统的电压输出能力,缩短GaAs光导开关的使用寿命。

半导体光导开关的发展与应用

对半导体光导开关的工作模式、工作原理、研制方法、开关参数以及应用前景进行简要的介绍。

固态平板Blumlein线中的GaAs光导开关导通电阻实验

为了研制紧凑型脉冲功率系统,开展了基于固态Blumlein线的GaAs光导开关(PCSS)导通电阻的初步研究实验。结合2mm厚固态平板Blumlein线,利用高功率脉冲激光二极管触发GaAs光导开关,在脉冲偏置电压下,GaAs光导开关非线性导通,经Blumlein线输出22.3 kV高压脉冲至负载,满足紧凑型脉冲功率系统的设计要求。通过偏置电压、输出电压以及Blumlein线阻抗估算光导开关的导通电阻约4.1Ω。另外,研究了GaAs光导开关非线性导通模式下的导通电阻与偏置电压和激光能量的关系。

雪崩模式下的体结构GaAs光导开关

利用能量较低的脉冲激光二极管,在较高场强下触发GaAs光导开关,使其工作于雪崩模式,从而产生纳秒上升前沿的快脉冲电压。GaAs光导开关采用垂直体结构设计,芯片厚度为2mm,电极形状分别为圆环和圆面,触发光脉冲从圆环穿过。快脉冲产生由同轴Blumlein脉冲形成线完成。对基于GaAs光导开关的同轴Blumlein脉冲线进行了模拟仿真和实验,当充电电压超过8kV(40kV/cm)后,开关开始了雪崩工作模式。当充电电压约为15kV(75kV/cm)时,在50Ω负载上获得了约11kV的脉冲电压,实验波形与仿真波形一致。对开关抖动进行了测试,其测试结果显示开关充电电压对抖动影响很大,随着开关偏压增加,开关抖动减小,开关获得了最小抖动约700ps。