砷化镓光电导开关高倍增猝灭工作模式的研究

摘要

半绝缘光电导开关具有无抖动、响应速度快、高功率、高重复频率等特性,在功率脉冲技术领域中具有广泛地应用前景。尤其是砷化镓等材料制作的光电导开关,具有高倍增工作模式,在高电场偏置下可被弱光触发,可极大地提高系统便携性且降低成本。作为脉冲功率系统的核心开关器件,它可在冲击雷达、大电流点火装置、THz技术等领域具有很强的竞争优势。但是,高倍增工作模式下电流自行锁定且时间长达微秒量级,限制了开关的使用寿命和重复工作频率,因此本文研究人为控制开关内部载流子高倍增过程,使之能快速退出锁定状态的物理机制。
　　首先,本文提出一种测算光电导开关高倍增猝灭电场的方法。通过分析砷化镓(GaAs)光电导开关的高倍增工作模式机理,基于电容残压控制法设计了GaAs:EL2光电导开关电路并实现了高倍增猝灭工作模式。对该电路系统建立了基于半导体电流密度公式和载流子连续性方程的计算模型,模型中考虑了砷化镓高场下负微分迁移率特性。代入实验数据,反演计算出维持非故意掺杂GaAs:EL2半绝缘光电导开关高倍增工作模式所需要的最小电场值(即高倍增猝灭电场)。高倍增猝灭电场测算方法的提出,有利于今后设计更加精准地高倍增过程控制结构。比外,实验证明猝灭电场总是大于耿氏阂值电场,这佐证了早先用于解释高倍增物理机制的“光激发电荷畴”假说的正确性。
　　其次,本文拟合出了载流子碰撞电离公式中的四个常系数。光电导开关工作在高倍增模式时,其载流子主要来源于载流子雪崩倍增过程。因此碰撞电离常系数的测算就显得非常重要。我们根据上述GaAs:EL2光电导开关实验数据,拟合出了该材料的碰撞电离常系数,为之后的精准建模奠定基础。
　　最后,本文提出了一种基于光电导开关高倍增猝灭工作模式产生大电流超短方波电脉冲的方案。我们先分析了外电路参数、载流子碰撞电离产生率、复合率、电场强度以及负微分迁移率之间的耦合关系,建立了保持光电导开关锁定期间电流动态平衡的一组约束方程。根据该方程组,解出三组合理的设计参数进行GaAs:EL2光电导开关实验,分别得到500A/80ns、600A/85ns和1500A/90ns的方波电脉冲,证明了这种基于高倍增猝灭工作模式产生千安纳秒量级方波脉冲方法的可行性。此外,我们还根据计算模型推出了这三组实验的仿真波形,与实验输出波形大致相似,这佐证了上文碰撞电离常系数拟合值的合理性。

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1 绪论

1.1 光电导开关简介

1.2 国内外研究进展

1.3 光电导开关的三种工作模式

1.4 研究内容与研究意义

2 砷化镓光电导开关猝灭电场的反演计算

2.1 猝灭控制电路的方案设计

2.2 猝灭控制实验

2.3 反演计算公式的推导过程

2.4 反演计算过程及结果

2.5 本章小结

3 高倍增光电导开关碰撞电离常系数的测算

3.1 高倍增与碰撞电离关系分析

3.2 碰撞电离常系数的测算实验与拟合过程

3.3 测算结果及其数据有效性分析

3.4 本章小结

4 基于高倍增猝灭模式产生纳秒量级大电流方波脉冲

4.1 锁定期间电流动态变化趋势

4.2 锁定期间电流动态平衡约束方程组的推导过程

4.3 约束方程求解

4.4 产生方波脉冲的三组实验

4.5 实验结果讨论

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文研究工作总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献