非线性GaAs光电导开关锁定现象机理研究

摘要

与传统开关相比，GaAs光电导开关具有开关速度快、时间抖动小、寄生电感电容小、结构简单尤其是其耐高压，功率存储容量大等优势，使其在脉冲功率等技术领域占据极大的应用优势。由Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物如:GaAs、InP等形成的新型半导体光电导开关，由于锁定模式下出现的各种现象，使其应用领域更加开阔。但由于非线性模式下存在的电场锁定效应，对于开关电极和开关芯片材料来说是不利的，使用时间久了很容易造成开关损伤，降低了开关的使用寿命和输出效率。因此，对非线性开关锁定机理及其抑制方法的研究，对于研究高功率长寿命非线性开关具有重要意义。
　　本文从GaAs PCSS的光吸收机制出发，重点研究了1064nm激光触发下开关材料的双光子吸收机制。研究表明在高功率激光脉冲触发下，双光子吸收机制可使开关体内产生高浓度的光激发载流子，致使光激发电荷畴内部场强达到远高于材料本征击穿强度的程度，引起开关内发生强烈的雪崩碰撞电离。畴内强烈雪崩电离导致的复合发光可激发新的电荷畴，开关的导通是由于二次光子产生的雪崩畴输运引起的，开关的快速导通是由于电荷畴以光速和载流子的饱和漂移速度交替向阳极输运导致的。
　　将光电导开关应用于触发火花隙开关，获得具有偶极特征的振荡波形，研究了光电导开关串联火花隙的导通机理。研究指出光电导开关上的高触发电脉冲引起了高能量流注的放电，导致了高的输出电流，电荷畴的猝灭引起了火花隙上的电场畸变。实验表明该组合开关可很好的抑制光电导开关的锁定效应，避免了开关由于锁定现象而发生的开关损坏现象;分析表明组合开关单元之间可实现动态分压，从而可进一步提高开关系统的耐压能力和光电导开关的使用寿命。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 光电导开关的发展历程

1．2 光电导开关理论研究现状

1．3 光电导开关应用

1．4 论文主要研究内容

1．5 本章小结

2．1 半绝缘GaAs的材料特性

2．1．1 半绝缘GaAs的物理化学性质

2．1．2 GaAs的能带结构

2．1．3 GaAs半导体的性质

2．2 光电导开关的结构

2．3 开关的工作模式

2．3．1 线性工作模式

2．3．2 非线性工作模式

2．3．3 非线性模式的猝灭方法

2．4．1 高密度碰撞电离理论

2．4．2 双载流子注入模型

2．4．3 流注模型

2．4．4 光激发电荷畴理论模型

2．5 本章小结

3 锁定效应的形成机理

3．1．1 实验开关结构

3．1．2 实验装置

3．1．3 实验结果

3．1．4 实验结果分析

3．2 锁定效应的机理分析

3．2．1 GaAs光电导开关材料的吸收机制

3．2．2 光激发电荷畴的形成

3．3 锁定电场的计算

3．4 本章小结

4 抑制锁定效应的研究

4．1 串联火花隙抑制锁定效应的实验

4．2 组合开关的实验结果

4．3 组合开关的抑制机理分析

4．4 本章小结

5 结论

5．1 本论文研究工作总结

5．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录