GaAs光导开关耐压试验研究

对设计制作的3mm间隙共面型GaAs光导开关进行了耐压试验研究。试验中比较了光导开关的静态绝缘电阻、暗电流和击穿电压之间的关系,发现在1 kV时暗电流不高于3μA的光导开关在试验中击穿电压都在12 kV左右,这为试验前评价光导开关的耐压性提供了参考依据。采用不同方式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,结果表明:绝缘保护可以有效提高耐压特性,绝缘强度达4 kV/mm。

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。

半绝缘GaAs光电导开关线性传输特性的研究

实验研究了具有微带同轴联结方式的横向GaAs光电导开关 (触发光源用波长 10 6 4nm、脉宽 15ns的Nd :YAG激光器 ,电极间隙为 2 .8和 4mm)在线性工作模式下的瞬态电压传输效率 (它在开关偏置电压一定时随触发光能量的增加而提高 ,最高可达 93% ) ,并观察到了输出电压波形的双极性现象 ,还用等效电路模型分析了开关的电压传输特性 ,理论与实验结果相吻合。

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。

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。

GaAs光电导开关激子效应的光电导特性

从GaAs光电导开关的激子效应和光激发电荷畴理论基础出发,研究了强电场触发下GaAs光电导开关激子效应的光电导特性;光激发电荷畴与激子效应的相互作用以及激子的形成、传输及离解过程形成自由电子和空穴,为激子激发光电导提供了必要的条件。影响激子效应的光电导特性的主要因素有:激子能级的吸收,束缚激子及光激发电荷畴引起的能带重整化效应,多声子跃迁,束缚激子沿位错线发生分裂和漂移。在上述因素的相互耦合作用下,使得GaAs光电导开关激子效应的光电导呈现出一定的振荡特性。

GaAs光导开关的通态电阻测量及分析

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，测量了电极间隙为3mm的GaAs光导开关的通态电阻。结果表明：电极间隙为3mm的GaAs光导开关的通态电阻为14．9Q，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，并缩短GaAs光导开关的使用寿命。

GaAs光导开关电极制备工艺及性能测试

为了解决目前GaAs光导开关成品率低、稳定性差和可靠性低等问题,提出了GaAs光导开关的关键电极制备工艺解决方案。该方案首先以半绝缘GaAs材料作为衬底,利用电子束蒸镀机在GaAs衬底上沉积Ni/Ge/Au/Ni/Au金属复合层作为光导开关电极,并对电极进行快速退火使其与GaAs衬底形成欧姆接触;然后,为了隔绝光导开关与外界环境,在GaAs衬底上沉积氮化硅作为钝化保护层;最后,通过在欧姆接触电极上外延场板的工艺,制备出电极间距为4 mm的异面GaAs光导开关。对所制备的GaAs光导开关的测试结果表明:在400℃退火条件下,电极的接触电阻率最低可达到0.0195Ω·cm^(2);采用50Ω单脉冲形成线,在工作频率为1 kHz、偏置电压为22 kV时,光导开关的输出电压脉冲为10 kV,脉冲上升时间为亚ns量级。采用该制备方法制备的GaAs光导开关的成品率高达约98%,可稳定工作上万次。

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.

不同激光能量涨落对GaAs光电导开关时间抖动的影响

结合激光能量涨落对输出电脉冲涨落影响的实验,通过理论分析研究了激光能量涨落对GaAs光电导开关时间抖动特性的影响。实验中,当外加偏置电压为2 kV时,使用波长为1 053 nm、脉宽为500 ps的激光触发GaAs光电导开关,在不同的激光能量下测试能量涨落对输出电脉冲涨落的影响,通过对比分析指出激光能量的涨落与输出电脉冲涨落成正比关系。结合对光生载流子输运过程的分析,结果表明随着激光能量涨落的增加, GaAs光电导开关时间抖动也会随之增加,直到激光能量达到GaAs饱和吸收限时,能量的涨落不会再引起开关时间抖动的迅速变化。这一结论为GaAs光电导开关应用于条纹相机中提供了理论基础。

GaAs光导开关触发下ZnO残压过冲的实验及分析

本文主要对GaAs光导开关触发下ZnO产生电脉冲物理过程作了简要分析,并把它分为三个阶段。在第一阶段提出ZnO在电脉冲的作用下会产生位移电流,第二阶段估计出ZnO从容性阶段过渡到阻性阶段的大致时间,且发现半导体开关也可使ZnO产生残压过冲,指出ZnO的残压过冲可能是位移电流和其从容性过渡到阻性阶段的时间差共同作用所致。第三阶段得出ZnO在非线性阶段有快速稳定产生载流子的机制。

超短激光脉冲触发GaAs体光导开关的三维瞬态分析

本文采用时域有限差分法（ＴＤＦＤ），超吸收边界条件，利用半导体物理学的有关成果，归纳出适合体光导开关的三维载流子复合动力学数学模型，完成了对半导体（ＧａＡｓ）体光导开关的三维全波分析。计算了光导开关内部场和载流子的瞬态分布。本文提出的最佳设计方案，可使对激光能量的要求成倍数的降低；本文还讨论了静态场量对数值计算的影响。

GaAs光电导开关时间抖动特性研究进展

GaAs光电导开关是超快激光器与光电半导体相结合形成的一类新型器件,在脉冲功率技术、精同步控制等领域有重要的应用价值。本文介绍了测量时间抖动的主流方法,归纳了触发激光脉冲特性以及外加偏置电压对不同工作模式下GaAs光电导开关时间抖动的影响,并在此基础上分析了时间抖动的产生原因,这为进一步研究开关时间抖动提供理论参考。

GaAs相关多普勒放大器的抗静电设计

静电放电严重影响砷化镓器件的可靠性,为了提高砷化镓相关多普勒放大器(简称相关多放)的抗静电能力,设计了一种硅隔离和双二极管网络的抗静电保护电路;硅器件建立了敏感芯片核心区域和电压及电流的缓冲隔离,双向对称导通的双二极管网络有利于泄放大电流;基于静电放电人体模型,运用静电模拟仪器对相关多放进行了模拟试验,并对其性能进行测试;结果表明:器件的抗静电能力从200 V提高到了1400 V,开关选通前后沿小于5 ns,开关延迟不大于10 ns,控制信号泄露不大于40 mV,开关输出幅度不小于1 V。抗静电能力改进后,模块的开关性能保持不变,雷达接收机增益和噪声一致。导弹系统试验证明,抗静电措施稳定、有效,提高了产品的可靠性。

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.

基于光导开关和平板线的固态脉冲功率技术

紧凑型固态化是脉冲功率技术发展的趋势,研究了基于GaAs光导开关和陶瓷平板传输线的固态脉冲功率技术。紧凑型固态脉冲功率系统的关键部件主要包括固态陶瓷平板传输线,高功率GaAs光导开关以及激光二极管触发系统。研究了单路Blumlein脉冲形成线输出特性,分析了GaAs光导开关非线性导通带来的损伤,并开展了单路Blumlein脉冲形成线实验。结果表明:研制基于固态平板传输线、光导开关以及激光二极管触发系统的紧凑型脉冲功率具有可行性,负载上获得了超过20 kV的高压脉冲输出。

沿面闪络和丝状电流对光电导开关的损伤机理

通过对电极间隙为3mm和8mm半绝缘GaAs光电导开关损伤实验研究发现,引起开关损伤的主要机制是沿面闪络和丝状电流。沿面闪络是在高偏置电压条件下GaAs材料在热传导过程中表现的熔化?再结晶现象,对开关造成了致命性损伤;而丝状电流是开关在非线性工作模式下由于存在负微分电导效应(NDC),形成的高浓度电子?空穴等离子体通道,芯片内产热和冷却之间达到了动态平衡,开关处于光控预击穿状态,存在可恢复性和不可恢复性两类损伤。

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10mm及3mm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,10mm开关充电23.5kV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10mm间隙开关条件下,充电23.5kV时,负载上得到了53kV的高压脉冲输出;3mm开关充电13.9kV时输出电压39.4kV,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。

砷化镓光电导开关混合工作模式

实验中,当偏置电压达到一定阈值时,串联组合(双层)半绝缘(SemiInsulating,SI)砷化镓(GaAs)光电导开关(PCSS)输出为近似方波的双峰脉冲波形。输出脉冲随外加偏置电压的升高,上升时间基本不变,脉宽和下降时间都略有减小,双峰峰值均明显增大,开关呈现出不同于普通单个(单层)开关独特的实验现象。分析认为:串联组合SI GaAs光电导开关和普通单个开关各处于不同的工作模式中,组合开关工作在介于光激发电荷畴(Photoactivated Charge Domain,PACD)和限制空间电荷积累模式(Limit Space charge Accumulation,LSA)(简称限累模式)之间的混合模式,此工作模式使得组合开关中的电场都被扫进阈值之上的负微分迁移率区,抑制了开关进入非线性模式的锁定状态,工作效率较高;而普通开关则工作在光激发电荷畴模式,开关输出电脉冲波形呈现出典型的非线性锁定特性。