高功率GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)的特性與擊穿機(jī)理研究.pdf

1、光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)(Photoconductive Semiconductor Switches簡(jiǎn)稱(chēng)PCSS’s)具有耐壓強(qiáng)度高、通流能力強(qiáng)、寄生電感電容小、開(kāi)關(guān)速度快和皮秒時(shí)間精度等特性,使其在超高速電子學(xué)、大功率脈沖產(chǎn)生與整形技術(shù)領(lǐng)域(大功率亞納秒脈沖源、超寬帶射頻發(fā)生器等)具有廣泛的應(yīng)用前景。特別是GaAs、InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體PCSS’s中存在的高倍增模式(亦稱(chēng)非線(xiàn)性模式、或lock-on效應(yīng)),使光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)的應(yīng)用更為有效、方便

2、、靈活。本文針對(duì)光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)理論和應(yīng)用研究中存在的問(wèn)題,采用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)半絕緣GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)中的高場(chǎng)疇特性、高倍增模式的產(chǎn)生機(jī)理、開(kāi)關(guān)的高電壓強(qiáng)電流特性和擊穿機(jī)制進(jìn)行了較為系統(tǒng)、深入的研究,具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了光激發(fā)電荷疇的兩種振蕩模式：猝滅疇模式和延遲疇模式。分析指出兩種振蕩模式是由于開(kāi)關(guān)電路自激振蕩形成的交流場(chǎng)對(duì)開(kāi)關(guān)偏置電場(chǎng)周期性動(dòng)態(tài)調(diào)制引起的。在適當(dāng)?shù)挠|發(fā)光能和偏置電場(chǎng)條件下,電荷疇在渡越過(guò)程

3、中,當(dāng)開(kāi)關(guān)電場(chǎng)低于電荷疇維持電場(chǎng)(維持電荷疇生存需要的最小電場(chǎng))時(shí),電荷疇將在到達(dá)陽(yáng)極前湮滅,形成光激發(fā)電荷疇的猝滅疇模式,交流場(chǎng)周期性的調(diào)制,便形成猝滅疇振蕩；若在適當(dāng)?shù)挠|發(fā)光能和偏置電場(chǎng)條件下,電荷疇在渡越過(guò)程中,當(dāng)開(kāi)關(guān)電場(chǎng)低于電荷疇的閾值電場(chǎng)、而高于維持電場(chǎng)時(shí),電荷疇到達(dá)陽(yáng)極湮滅后,新的電荷疇不能及時(shí)形成,只有當(dāng)開(kāi)關(guān)電場(chǎng)再次上升到閾值電場(chǎng)以上時(shí),電荷疇才可再次形成,即電荷疇的形成被延遲,以上過(guò)程的不斷重復(fù)便形成延遲疇振蕩模式。在理

4、論分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn),給出了光激發(fā)電荷疇的等效電路模型。利用等效電路模型對(duì)開(kāi)關(guān)的猝滅疇振蕩作了定量的計(jì)算,理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)基本一致。提出半絕緣GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)非線(xiàn)性模式的多疇理論模型,并在不同偏置電壓條件下測(cè)量了半絕緣GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)的lock-on電場(chǎng)。理論計(jì)算表明高濃度的光生載流子可使電荷疇內(nèi)的電場(chǎng)達(dá)到材料的本征擊穿強(qiáng)度,使疇內(nèi)發(fā)生伴有復(fù)合輻射的強(qiáng)烈碰撞電離,新的電荷疇可以由復(fù)合輻射再吸收激發(fā)的載流子不斷的形成,在開(kāi)關(guān)體內(nèi)

5、形成一定數(shù)量的光激發(fā)電荷疇；理論分析指出開(kāi)關(guān)的lock-on電場(chǎng)是由于開(kāi)關(guān)體內(nèi)固定的電荷疇數(shù)量和疇內(nèi)外穩(wěn)定的電場(chǎng)分布引起的,開(kāi)關(guān)的快速導(dǎo)通是由于種子疇(傳播在電離區(qū)最前面的電荷疇)的傳播速度相當(dāng)于以光速和電子的飽和漂移速度交替運(yùn)動(dòng)引起的。依據(jù)半絕緣GaAs非線(xiàn)性光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)的產(chǎn)生機(jī)理,設(shè)計(jì)了由光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)與火花隙構(gòu)成的串聯(lián)型組合開(kāi)關(guān)。利用組合開(kāi)關(guān)兩部分先后導(dǎo)通過(guò)程中電壓的轉(zhuǎn)移,使光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)的分壓小于疇的維持電壓,通過(guò)疇的猝滅,迫使開(kāi)關(guān)關(guān)斷,

6、有效的抑制了lock-on效應(yīng)。同時(shí)提高了開(kāi)關(guān)的輸出電流。通過(guò)開(kāi)關(guān)電極刻蝕,研制了耐壓高達(dá)32kV、通流能力達(dá)3.7kA的高功率半絕緣GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)。測(cè)量了開(kāi)關(guān)不同觸發(fā)條件下的通態(tài)電阻,對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行了耐壓實(shí)驗(yàn)和壽命實(shí)驗(yàn),在20kV/400A工作條件下,開(kāi)關(guān)的壽命達(dá)350次。分析了開(kāi)關(guān)的擊穿機(jī)理。理論分析表明不同類(lèi)型的擊穿痕跡是由于不同的擊穿機(jī)理引起的。貫通電極的絲狀擊穿痕跡是由于電子俘獲形成的陷阱鏈導(dǎo)電路徑導(dǎo)致電流劇增使開(kāi)關(guān)熱擊穿而形