用光电导开关产生稳幅无晃动超快电脉冲的研究

摘要

本文在借鉴SI-GaAs光电导开关研究成果的基础上，结合国家高技术研究发展计划（863计划）课题“高电压无晃动光电导高速开关关键技术研究”（No：863-804-2002AA842211）和国家自然科学基金课题“大功率超快电脉冲（ps）光电导开关微波源的研究”（No：50077017），针对超快精同步控制应用的实际要求，采用了理论分析和实验研究相结合的方法，开展了对光电导开关产生稳幅无晃动超快电脉冲的研究，取得如下成果和结论： 1. 光电导开关的超快特性主要由触发光脉冲脉宽和开关芯片材料载流子复合寿命决定。减小触发光脉冲脉宽可以改善输出电脉冲的上升沿，而选择载流子复合寿命小的开关芯片材料可以减小输出电脉冲的下降沿，通过对触发光脉冲和开关芯片材料的合理选择可以获得超快电脉冲。 2. 实验结果还表明，光电导开关输出电脉冲的脉冲宽度同时还与触发光脉冲能量和开关偏置电压有关，减小触发光脉冲能量，增加偏置电压可以在一定程度上减小输出电脉冲的脉冲宽度，理论上对这一实验现象作了合理的解释。 3. 光电导开关输出电压的大小在外电路一定的条件下主要由偏置电压决定，同时开关芯片材料、开关电极间隙宽度以及触发光脉冲能量也会对其产生一定的影响。通过合理选择触发条件和优化设计开关可以获得一定幅值大小的超快电脉冲。 4. 理论和实验结果表明，光电导开关工作在饱和状态下具有稳幅特性，减小开关电极间隙宽度，增大触发光脉冲能量可以获得幅值稳定，不随触发能量波动而变化的超快电脉冲。 5. 光电导开关对光信号具有ps量级的响应速度，使得其触发晃动时间在ps量级。理论分析认为，这是由半导体芯片材料参数所决定的，通过选择合适的开关芯片材料参数，可以获得ps量级晃动的超快电脉冲。 6. 利用具有全固态绝缘结构的横向型半绝缘GaAs光电导开关，分别在ns﹑ps和fs超快激光脉冲触发下测试其超快特性和输出电压幅值的稳定性。实验中得到了触发晃动时间无法分辨、幅值变化小于1.2﹪的稳定超快电脉冲和上升沿为83ps，脉冲宽度为133ps的超快电脉冲，从而为超快精同步控制应用提供了依据。