基于GaAs光导开关和火花隙的新型组合开关实验及机理分析

摘要

本文基于GaAs光电导开关(Photoconductive—Semiconductor Switch：Pcss)和火花隙开关各自特性，介绍一种新型组合开关。新型组合开关结合一个传统GaAs PCSS和一个火花隙开关。GaAs PCSS作为火花隙开关的触发开关有其自身的优势：超快脉冲上升沿、高峰值电流、对激光触发脉冲快速响应。快速上升的高电压脉冲作为气体开关的触发脉冲，可以提高气体开关性能：输出脉冲上升沿更快、电流脉冲峰值更高，触发抖动减小，时间延迟减小，提高开关导通速度，还可以进一步实现高重复频率脉冲输出。本文通过对光电导开关和气体开关各种导通机理的分析，找出适合于新型组合开关的理论模型：光激发电荷畴模型和快电子逃逸模型。在组合开关理论分析的基础上，将两种开关组合方式以不同方式组合，在不同的实验参数下进行实验。其中，同轴线火花隙组合开关取得了很好的实验结果。在同轴线火花隙开关实验中，GaAs PCSS作为火花隙开关的触发开关，在短时间内提供了大于2倍火花隙自击穿电压场强的脉冲输入，这有利于火花隙开关中等离子通道建立；同时开关输出脉冲峰值比同等条件下单一GaAsPCSS输出脉冲峰值高出至少35％。基于光激发电荷畴模型和快电子逃逸模型，本文对于组合开关中GaAs PCSS和火花隙开关的导通机理做了定性的分析。由于在GaAsPCSS导通过程中其偏置电压迅速转移到火花隙开关上，GaAs电场迅速降低，此时GaAsPCSS并没有继续保持在非线性模式，所以组合开关也是一种提高GaAs PCSS使用寿命的方法。

目录

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1 前言

1.1 气体开关

1.2 半导体开关

1.3 液体开关

1.4 论文研究目标和主要内容

2 开关导通机理

2.1 GaAs光电导开关

2.1.1 光电导开关线性工作模式

2.1.2 光电导开关非线性工作模式

2.1.3 光激发电荷畴模型

2.1.4 光电导开关非线性模式改进

2.2 气体放电机理

2.2.1 几种气体放电机理简介

2.2.2 快电子逃逸模型

2.2.3 气体开关触发脉冲源改进

2.3 本章小结

3 新型组合开关实验

3.1 实验设备

3.1.1 GaAs光电导开关结构

3.1.2 火花隙开关结构

3.1.3 放电电压电流测量

3.2 三种开关组合方式

3.2.1 同轴线火花隙组合开关

3.2.2 微带线火花隙组合开关

3.2.3 场畸变火花隙组合开关

3.3 组合开关重要参数及影响因素

3.3.1 火花隙开关击穿电压和击穿场强

3.3.2 火花隙击穿时延和间隙导通时间

3.3.3 火花隙通道电阻

3.3.4 触发脉冲上升沿对火花隙放电影响

3.3.5 光电导开关时变电阻

3.4 本章小结

4 新型组合开关实验结果及分析

4.1 同轴线火花隙组合开关实验结果与讨论

4.1.1 与传统GaAs光电导开关比较

4.1.2 实验规律

4.1.3 流注判据

4.1.4 组合开关导通机制

4.2 阴极微带线火花隙实验结果与讨论

4.3 本章小结

5 结论

5.1 本文研究工作总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录