半绝缘GaAs开关中光激发电荷畴的理论研究

摘要

半绝缘砷化镓光导开关(Semi-Insulated GaAs Photoconductive semiconductorSwitches-PCSS’s)具有极其优良的特性,在超高速电子学、大功率脉冲、超宽带雷达、脉冲功率技术和THz等领域都有着广泛的应用前景,因此倍受半导体和光学界的关注。在线性工作模式的理论和应用研究都已趋于成熟,并逐渐达到了实用化的水平以后,对非线性工作模式的理论和应用研究也有了很大进展。本论文是在光导开关器件方程的基础上,基于GaAs多能谷理论的转移电子效应,建立一个较为完善的光激发电荷畴理论模型来解释了光导开关中各种线性、非线性现象。 本论文首先从GaAs多能谷结构出发,介绍了转移电子效应,讨论了n型GaAs中偶极畴和光导开关中光激发电荷畴的形成过程与输运过程,详细分析了两者电流曲线出现差异的原因。接着从基本的漂移.扩散方程出发,建立了光导开关的器件方程,综合考虑了碰撞电离,流注,电流丝等理论,比较全面的解释了各种非线性现象。并利用EL2能级的陷阱效应解释了未能很好解决的长延迟时间的非线性现象。然后从介绍半绝缘GaAs光电导天线产生THz辐射机理入手,讨论了半绝缘GaAs开关产生THz辐射的信噪比和功率低的原因。在基于这个分析的基础上,提出使用外电路控制的方法,让光导开关两端的电压呈现周期性变化,使光激发电荷畴(或者没有形成畴的电子积累层)猝灭,利用了半绝缘GaAs中载流子寿命长的特点,使得载流子在器件中多次被加速以及发生转移电子效应,来提高THz辐射的功率和信噪比。最后使用了蒙特卡罗方法模拟了这一过程,并验证了这一方法的可行性。

目录

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1.绪论

1.1 引言

1.2 GaAs光导开关的发展历史

1.3 理论研究现状

1.4 实用现状研究

1.5 PCSS的基本工作原理

1.6 PCSS的两种工作模式

1.6.1 光导开关的线性工作模式及其特性

1.6.2 光导开关的非线性工作模式及其特性

1.7 研究意义

1.8 本章小结

2.半绝缘GaAs开关线性条件下的畴理论分析

2.1 微波半导体器件

2.2 能带结构

2.3 转移电子效应

2.4 畴的一般理论和光导开关中光激发电荷畴的器件方程

2.5 光导开关中畴的形成过程以及电流曲线分析

2.5.1 光激发电荷畴的形成

2.5.2 电流曲线的分析

2.6 本章小结

3.半绝缘GaAs中非线性“Lock-on”现象的实验和理论分析

3.1 实验现象研究

3.2 理论分析

3.3 结论

3.4 本章小结

4.在脉冲电压作用下提高光导开关THz辐射功率和信噪比方法及其蒙特卡罗模拟

4.1 各种产生THz的方法以及它们的优缺点

4.2 THz产生机理

4.3 载流子速度过冲效应

4.4 半绝缘GaAs产生THz的特性分析

4.4.1 低温GaAs和半绝缘GaAs产生THz的实验结果比较

4.4.2 半绝缘GaAs信噪比低的理论分析

4.5 设计方法

4.5.1 使用外电路控制方法实现偏置电压随时间变化的THz辐射过程

4.5.2 速度下冲效应和Rees效应

4.6 蒙特卡罗模拟结果

4.7 本章小结

5.全文小结

5.1 全文小结

5.2 进一步工作的设想

致谢

参考文献

附录在校期间公开发表的文章