弱光觸發(fā)下GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的工作機(jī)理研究.pdf

1、砷化鎵（GaAs）光電導(dǎo)開關(guān)非線性工作模式的發(fā)現(xiàn)，使所需的觸發(fā)光能量比線性工作模式低3到5個(gè)數(shù)量級，使激光二極管等小型光源替代大型激光器觸發(fā)光電導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生強(qiáng)電流成為可能。本論文使用單個(gè)脈沖激光二極管作為光源觸發(fā)GaAs光電導(dǎo)開關(guān)，研究了偏置電場、儲能電容、觸發(fā)光斑位置和開關(guān)溫度對開關(guān)輸出脈沖的影響；同時(shí)開發(fā)了蒙特卡羅模擬軟件，研究了開關(guān)非線性工作模式下絲狀電流、鎖定效應(yīng)、倍增效應(yīng)、存在光電閾值等特性的形成機(jī)理。具體完成了以下工作：

2、>　　（1）研究了弱光觸發(fā)下偏置電場和儲能電容對GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的影響。在激光二極管單脈沖能量為1.6μJ的情況下，逐步增加偏置電場至24kV/cm，在光電導(dǎo)開關(guān)由線性模式逐步過渡到非線性模式的過程中，分析對比了超快光電導(dǎo)過程對應(yīng)的倍增效應(yīng)?？疾炝藘δ茈娙輰敵鲭娒}沖寬度的影響，結(jié)果表明電容越小脈寬越窄。特別是，當(dāng)儲能電容為10pF時(shí)，獲得了納秒級輸出電脈沖，該現(xiàn)象與電容器中電荷的快速耗盡有關(guān)。
　　（2）研究了弱光觸發(fā)下觸發(fā)光

3、斑方向、位置及開關(guān)溫度對光電導(dǎo)開關(guān)進(jìn)入非線性模式電場閾值的影響。當(dāng)光斑平行電極觸發(fā)時(shí)，光斑中心到陰極距離等間隔從0.2mm到2.8mm時(shí)，電場閾值按線性規(guī)律由15kV/cm增加到22kV/cm；當(dāng)光斑垂直電極時(shí)，隨著光斑中心到陰極距離等間隔從0.0mm增加到2.2mm，電場閾值先由27kV/cm左右減少到16kV/cm，然后再升高到27kV/cm，呈現(xiàn)出類拋物線型規(guī)律。其中，觸發(fā)光斑貫穿陰陽電極時(shí)電場閾值最小。激光二極管單脈沖能量為1.

4、6μJ時(shí)，考察了溫度對開關(guān)電場閾值的影響。光斑垂直于電極時(shí)，隨著溫度從-12℃增加到24℃，電場閾值線性減??；對于同樣的溫度變化范圍，在光斑平行于電極的情況下，電場閾值與溫度之間不再滿足線性關(guān)系。開關(guān)內(nèi)部的Franz-Keldysh效應(yīng)和熱效應(yīng)能夠解釋溫度對電場閾值的影響。
　?。?）基于已有光激發(fā)電荷疇理論，結(jié)合蒙特卡羅方法開發(fā)了針對GaAs光電導(dǎo)開關(guān)非線性工作模式的仿真軟件。在具體的仿真設(shè)計(jì)中，充分考慮了光激發(fā)電荷疇理論的兩種

5、核心機(jī)制，對碰撞電離和載流子輻射復(fù)合再吸收進(jìn)行了建模。其中，碰撞電離是載流子倍增的基礎(chǔ)，載流子輻射復(fù)合再吸收是電荷疇形成和快速傳播根本原因。通過對電子碰撞電離和空穴碰撞電離兩種機(jī)制的考察，給出了GaAs材料的負(fù)微分特性、電子在各能谷的布居率及速場關(guān)系，考察了GaAs光電導(dǎo)開關(guān)線性和非線性工作模式中的主要機(jī)制。
　?。?）結(jié)合對光激發(fā)電荷疇形成、輸運(yùn)過程的模擬，研究了弱光（微焦量級）觸發(fā)下GaAs光電導(dǎo)開關(guān)進(jìn)入非線性工作模式的物理過

6、程。結(jié)果表明，弱光觸發(fā)下GaAs光電導(dǎo)開關(guān)中光生載流子的聚束輸運(yùn)特性形成需具備兩個(gè)條件：（a）負(fù)微分電場，即偏置電場大于4.0kV/cm；（b）能夠讓自建電場與偏置電場具有可比性的光生載流子濃度，大約為1.0×1013cm-3，處于弱光光源觸發(fā)范圍。驗(yàn)證了GaAs光電導(dǎo)開關(guān)非線性工作模式的基本過程，包含電子稠密區(qū)域形成、電荷疇形成、絲狀電流形成、絲狀電流生長和絲狀電流吸收5個(gè)階段；絲狀電流傳播速度的模擬結(jié)果為2.0×108cm/s，整體