非线性GaAs光电导开关电流传导特性研究

摘要

GaAs光电导开关具有时间抖动小、电流上升速度快、重复频率高等特点,特别是耐高压及大功率容量等优点,使其在超高速电子学和大功率脉冲产生与整形技术领域具有广泛的应用前景。然而非线性工作模式下伴随有丝状电流现象,且电场锁定时间长达数十个微秒,这对开关材料造成很大的损伤,极大地影响了开关再次使用的输出功率和开关的使用寿命。通过实验分析了电极间隙和触发激光脉冲的能量对开关输出功率的影响。指出GaAs材料的转移电子效应是光电导开关产生非线性的主要原因。得出光电导开关非线性工作模式下高场畴形成的必要条件。使用EL2能级缺陷理论解释了开关在光电阈值附近的奇特的输出电流波形。在光激发电荷畴理论的基础上提出了光电导开关中的流注模型,使用泊松方程计算得出开关中的电场满足了流注传播的条件。使用Franz-Keldysh效应和Burstein-Moss效应解释了丝状电流的快速传导特性,得出丝状电流的快速传播是光子参与载流子输运的结果。分析了光电导开关的输出电流。解释了输出电流的快速上升特性和非线性光电导开关的lock-on电流。得出在高偏置电场的作用下,丝状电流通过芯片时对路径具有选择性。丝状电流引起了PCSS’s的击穿,而热击穿最终导致了开关的失效。指出光电导开关存在完全击穿和不完全击穿两种击穿状态,光电导开关的不完全击穿是由于偏置电压不是足够大,雪崩倍增不是非常剧烈,新产生的载流子数不足以发生足够的晶格散射,打破GaAs中的化学键,并没有完全破坏开关材料的结构,设计了多光纤耦合诱导多丝放电实验方法。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 本论文研究背景及意义

1.1.1 光导开关的发展及研究现状

1.1.2 光电导开关的应用

1.2 光电导材料的种类

1.3 光电导开关的基本结构

1.4 光电导开关的两种工作模式

1.4.1 光导开关的线性工作模式及其特性

1.4.2 光导开关的非线性工作模式及其特性

1.5 现有描述光电导开关非线性工作模式的理论模型

1.6 本文主要研究内容

1.7 本章小结

2 光电导开关的实验研究

2.1 开关材料的选择

2.2 光电导开关线性工作模式下实验研究

2.2.1 光电导开关线性工作模式的实验结果

2.2.2 光电导开关电极间隙及触发光源能量对输出特性的影响

2.3 光电导开关非线性工作模式下的实验研究

2.3.1 实验结果说明

2.3.2 GaAs材料的转移电子效应

2.3.3 强电场下半绝缘GaAs中畴的产生的必要条件

2.3.4 GaAs光电导开关光电阈值附近实验结果说明

2.4 本章小结

3 光电导开关丝状电流特性分析

3.1 引言

3.2 使用流注模型描述的气体的击穿

3.3 半导体中的流注现象

3.3.1 产生方法

3.3.2 半导体发生流注放电的必要条件

3.4 光电导开关中的流注模型

3.4.1 光电导开关中的流注理论

3.4.2 流注的发展

3.5 丝状电流的传导特性

3.6 基于流注模型的光电导开关的输出电流

4 丝状电流与光电导开关击穿特性分析

4.1 引言

4.2 光电导开关的击穿的类型和影响因素

4.3 暗态条件下丝状电流对光电导开关的击穿

4.4 丝状电流导致的开关的完全击穿

4.4.1 丝状电流击穿的路径选择特性

4.4.2 光电导开关热击穿特性

4.5 丝状电流与开关的不完全击穿现象

4.6 多光纤耦合诱导多丝放电实验设计

4.7 小结

5 结论与后续工作展望

5.1 结论

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录