基于砷化镓光电导开关的双极性固态脉冲功率源

设计了一种基于砷化镓(GaAs)光电导开关(PCSS)的双极性固态脉冲功率源。通过对两级脉冲形成线(PFL)结构端反射系数的研究,分析了单极性正、负脉冲以及双极性脉冲产生的波过程,并采用PSpice工具开展电路仿真研究。研究了输入端电阻阻抗对脉冲拖尾的影响,提出了脉冲拖尾调制和脉冲宽度调制的方法。基于体结构GaAs PCSS和两级脉冲形成线结构,搭建了电阻隔离的脉冲充电实验平台,采用光路分时触发技术对光电导开关导通时序进行调控。实验结果表明,所研制的双极性固态脉冲功率源在2.5 kV偏压下可产生峰峰值达3.26 kV、脉宽5.6 ns、重复频率1 kHz的双极性纳秒冲激脉冲,验证了将雪崩GaAs PCSS与多级波拓扑结构PFL结合产生双极性纳秒冲激脉冲的可行性。

弱光触发下GaAs光电导开关的载流子输运和热失效机制

弱光触发下高倍增砷化镓光电导开关(GaAs PCSS)内以丝状电流为表现形式的载流子输运机制对其瞬态工作特性和寿命研究有重要意义。该文基于有限元方法构建了GaAs PCSS的物理模型,结合丝状电流的生热机制对1.5μJ弱光触发下开关的瞬态输出电流和晶格温度进行了仿真分析,考察了偏置电场对GaAs PCSS输出特性的影响。通过不同时刻开关内部的瞬态电场、电子浓度和晶格温度等方面研究了高倍增模式下GaAs PCSS的光生载流子输运过程和损伤机理。结果表明,高密度丝状电流的存在伴随于高场畴的产生和发展。开关内部电场越高,负微分效应引起的载流子聚束现象越明显,相应的电子浓度和晶格温度值也越高;在浓度达1017 cm^(-3)数量级的等离子体通道中,阳极附近电场强度和晶格温度最大值分别为220 kV/cm和821.92 K。

基于光导开关的光电集成一体化装配技术研究

随着微电子技术的发展,光导开关是一种新型的快速电子器件,在高功率脉冲、超快光电控制等领域有广泛的应用。作为一种复杂的光电混合器件,在高电压高功率应用场景下,需要同时满足微波输出、光学对位、耐高压等要求。在一体化装配过程中,碳化硅光导开关存在碳化硅晶片易碎、输入激光易损耗等问题,因此,该文从光波导装配设计、一体化装配设计和一体化装焊仿真3个方面进行研究,通过柔性装配实现耐高压光导开关封装。

重复频率下GaAs光电导开关的热积累研究

非线性模式下高密度丝状电流的热效应往往引发砷化镓光电导开关(GaAs PCSS)内部温度急剧上升,从而导致可靠性下降甚至热击穿,限制了器件的进一步应用。针对重复频率条件下光电导开关内部的热积累问题,基于理论分析构建二维模型,对高功率砷化镓光电导开关内部丝状电流温度分布进行模拟,获得了开关内部温度的时空变化规律。结果表明,由于材料自身的负微分迁移率(NDM)和导热系数等物理参数的影响,重复频率越高,热积累效应越明显。当重复频率为10 kHz时,温度最高升至1 262.73 K;在1 kHz重复频率触发下,丝状电流的直径较小(≤10μm)时,开关内部热积累效应不显著,当直径较大(>10μm)时,温度随着丝状电流直径的增加呈指数升高,温度最高可至871.43 K。该研究可为重复频率工作条件下大电流非线性GaAs PCSS的工作稳定性研究提供理论指导。

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.

微带线不连续性对光电导开关非线性特性的影响

实验对全固态同轴!微带型横向半绝缘砷化镓(SI-GaAs)光电导开关传输特性进行了研究:当偏置电压达到一定阈值时,普通开关进入了非线性锁定(Lock-on)工作模式;在相同实验条件下,当微带线出现不连续时,输出的电脉冲波形没有出现锁定现象;分别用空气击穿的流注模型和微带线等效电容机理分析了微带线不连续效应引起整个开关电路性能变化及抑制开关Lock-on效应的原因。

11kV大功率SiC光电导开关导通特性

采用高质量半绝缘碳化硅(SiC)单晶材料制作了超快高耐压大功率SiC光电导开关。应用氟化氪准分子脉冲激光器作为激发光源,得到了脉宽为40 ns,上升沿为9.6 ns的超快响应的电脉冲,开关的上升沿存在两个不同阶段。测试开关两端电压从1 kV到10 kV时开关导通的电压波形表明,开关的导通电阻随电压的增加不发生明显变化,开关在导通态时导通电阻在12Ω左右。采用92Ω精密电阻作为负载,计算得到开关两端外加11 kV电压时通过其电流峰值高达159 A,此时峰值功率达到1.4 MW,在此范围内未出现载流子饱和现象。

半绝缘GaAs光电导开关的击穿特性

研究了在不同触发条件下半绝缘GaAs光电导开关的击穿特性 .当触发光能量和偏置电场不同时 ,半绝缘GaAs光电导开关的击穿损坏程度也不同 ,分别表现为完全击穿、不完全击穿和可恢复击穿三种类型 .通过对击穿实验结果的分析认为 ,电子俘获击穿机制是导致半绝缘GaAs光电导开关击穿损坏的主要原因 .偏置电场和陷阱电荷所产生热电子的数量和动能决定了Ga—As键的断裂程度 。

高倍增 GaAs 光电导开关的设计与研制

首次报导了采用Ｓｉ３Ｎ４、硅凝胶钝化／保护的微带线低电感输出的全固态ＳＩ－ＧａＡｓ高压亚纳秒光电导开关的研究结果，该器件的耐压强度为３５ｋＶ／ｃｍ，具有理想的暗态伏安特性；典型的电流脉冲上升时间为２００ｐｓ，电流达１００Ａ．并在实验中观测到典型的高倍增（Ｌｏｃｋｏｎ效应）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．

用光电导开关产生超宽带电磁辐射的研究

用全固态绝缘结构的横向型半绝缘GaAs光电导开关 ,在高重复频率飞秒激光脉冲触发下产生超快电脉冲串 ,经过微带同轴过渡连接至宽带微波天线进行了超宽带电磁辐射和接收的实验 ,测试了辐射波形及频谱分布 ,得到了上升时间为 2 0 0ps、脉宽 5 0 0ps、重复频率 82MHz、辐射频带宽度达 6 0GHz以上的电磁波 。

用红外激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关的实验研究

报道了用光子能量低于GaAs禁带宽度的红外激光脉冲,触发电极间隙为3mm和8mm的半绝缘GaAs光电导开关的实验结果。使用单脉冲能量为1.9mJ的1064nmNd:YAG激光触发开关,在偏置电压分别为3kV和5kV条件下,光电导开关分别工作于线性和非线性模式。用900nm半导体激光器和1530nm掺铒光纤激光器分别进行触发实验,得到了重复频率分别为5kHz和20MHz的电脉冲波形。结果表明,半绝缘GaAs光电导开关可以吸收大于本征吸收限波长红外激光脉冲。

Monte Carlo 方法在高倍增 GaAs 光电导开关模拟中的应用

在ＧａＡｓＰＣＳＳ′ｓ的模拟中引入了ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法，重点对非线性模式中锁定（Ｌｏｃｋｏｎ）效应发生的机理及其阈值条件进行了计算分析．结果表明，阈值条件与器件材料的性质、偏置电场和激励光脉冲能量等因素密切相关．在与ＮＤＲ相对应的偏置电场范围内，Ｌｏｃｋｏｎ效应的发生有最低的光能要求．文中将这些结果与实验数据进行了对比分析和讨论．

GaAs光电导开关非线性锁定效应的机理研究

根据光激发电荷畴模型,研究强电场条件下,半绝缘GaAs光电导开关体内热电子的瞬态输运过程及载流子与晶格相互作用的性质,并对光激发单极电荷畴的形成、生长、输运及达到稳定平衡状态的全过程进行了分析。认为GaAs光电导开关的非线性锁定效应是光激发单电荷畴处于稳定平衡状态时的必然结果,同时,电荷畴内部及前端的强电场区域伴随有热电子强烈的局部碰撞电离和辐射复合作用,使载流子迅速"雪崩"倍增,形成输出电脉冲的超快上升沿,强电场区出现在GaAs光电导开关的阳极周围,在电荷畴到阳极之间将发生强烈的碰撞电离和辐射复合发光,形成丝状电流。

高压超快GaAs光电导开关的研制

本文首次报导了采用全固态绝缘、微带线低电感输出的Si-GaAs高压超快光电导开关的研制结果该器件的耐压强度为35kV／cm，典型的电流脉冲上升时间为200ps。

高倍增超快高压GaAs光电导开关触发瞬态特性分析

首次提出“发光畴”模型对强电场下GaAs光电导开关高倍增工作模式的物理机制进行解释 .其要点是 :光注入载流子引起开关电场畸变 ,开关偏置在触发电场阈值下因负阻效应产生高场畴 ,畴内发生碰撞电离引起载流子的雪崩倍增 ,相伴而生的辐射复合发射光子替代了已消失的触发光脉冲 ,畴的运动与发光使载流子以 10 8cm/s的速度穿越电极间隙 ,畴生存条件决定Lock on电场 ,当外电路的控制使开关电场不能维持畴的生存时 。

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。

半导体光电导开关的非线性特性及应用

总结了强电场下半导体光电导开关呈现出的引发、维护及恢复过程的非线性特性，对丝状电流的特点及辐射复合在ｌｏｃｋ———ｏｎ效应中的作用进行了讨论。

GaAs光导开关瞬态光电导效应的研究

光导半导体开关自问世以来 ,以其优良的特性受到人们广泛的关注 ,其应用领域不断地拓展。本文建立了一个光导开关的瞬态响应模型 ,对 Ga As瞬态光电导效应进行了研究 ,重点研究了是光作用过程的 Dember效应和各种重要的复合机制对 Ga As光导开关光电导响应的影响。

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