PCSS光电导开关.docVIP

PCSS——光电导开关 当今世界科技发展日新月异,在很多的领域,无论是尖端科技领域的实验还是某些工业领域、军事领域的尖端产品,都需要能提供高功率脉冲的设备,而这些设备的工作参数极端严苛,远非普通功率电子元器件所能胜任,因而出现了从电子闸流管开始的各类脉冲功率元件,本文将介绍一篇新型半导体脉冲功率元件PCSS的研究论文《高功率亚纳秒GaAs光电导开关的研究 》. 半导体光电导开关(PCSS)就是利用超快脉冲激光器与光电导体（如GaAs、InP等）相结合形成的一类新型器件与传统开关相比,PCSS具有开关速度快、触发无晃动、寄生电感电容小、结构简单紧凑等特点,特别是耐高压及其大功率容量使其在超高速电子学和大功率脉冲产生与整形技术领域（大功率亚纳秒脉冲源、超宽带射频发生器等）具有广泛应用前景. PCSS分为两种基本类型,横向开关和纵向开关,横向开关易于制作,有较大的光照面积和电导通道,可以用较宽波长范围的光来触发GaAs材料具有优良的电、光性能,是制作光电导开关较为理想的材料-然而用它制作的横向光电导开关,平面电极之间的距离一般在毫米至厘米量级.GaAs基体本征击穿电压250KV/cm,不加绝缘措施的情况下闪络电压10Kv/cm以上,在SF6 、绝缘油、去离子水绝缘下闪络电压可达26.6Kv/cm,30Kv/cm,145Kv/cm,但开关结构复杂难于制作和实际应用,在本次实验中采用的Si3N4-有机硅树脂绝缘体系,该体系下下闪络电压约为35Kv/cm. 本实验中采用YAG Q开关激光器触发3mm间隙的开关,激光脉冲宽度为15ns, 经KTP晶体倍频输出波长为 0.53μm. PCSS 器件有两种工作模式：线性模式和Lock_On模式,在高电压强激光触发条件下PCSS 器件以Lock_On模式工作,反之则以线性模式工作.Lock_On模式下PCSS响应速度极快 ,上升时间可小于 200ps,峰值电流560A,上升速率可达 2.8×1012A/s以上. PCSS 器件进入Lock_On效应区的条件 不是孤立的 ,研究发现当 GaAs PCSS的偏置电场强度和入射光脉冲能量都大于触发阈值时, 开关被触发进入Lock_On模式区 触发光能、电场阈值的范围为： 电场强度为 4-30Kv/cm, 对应的触发光能：1.6mJ-2μJ.开关电流脉冲的上升时间与触发光脉冲宽度、 偏置电压有关. 电场强度和入射光能量有关.分别用光斑覆盖两电极的均匀射触发和用透镜聚焦加光阑实现点触发的实验表明, 在相同的偏置电场强度下, 光脉冲的点触发方式比均匀照射触发方式所要求的最低触发光能要小. 此外,GaAs PCSS还存在掣住效应：GaAs PCSS被触发而进入Lock_On状态时, 开关两端的电压(开关电场） 降至一个非零的恒定数值. 即使触发光脉冲撤去后,开关也将连续保持低阻导通状态而不迅速恢复其电阻.维持阶段正是指Lock_On 电场的存在. GaAs PCSS从强电场下的光注入引发进入维持阶段,入射光脉冲已消失, 开关还能维持高电导通道意味着继载流子的光注入产生后,又有新的载流子的产生和倍增机理存在, 形成维持阶段的高电导通道, 但开关电场强度却维持在恒定的数值 Lock_On 电场） ,这表明触发光脉冲消失后载流子的高倍增机理依赖于维持电场的存在.当外电路使开关两端的电场强度低于Lock_On电场强度时, 开关立即恢复其高阻状态, 恢复时间由GaAs PCSS中载流子的寿命决定. 笔者用全固态绝缘技术研制了横向型高压GAaAs光电导开关, 并对其光电性能进行了测试, 结果表明, 开关的暗态维持电场强度达 35Kv/cm, 输出电流脉冲无晃动, 上升时间小于 200μs, 达亚纳秒量级, 峰值电流为 560A,, 电磁脉冲重复率为 108HZ量级测量了高倍增开关的光电阈值曲线, 其最小触发电场阈值大于或等于 4.1Kv/cm在强电场强度下的 Lock_On 效应的实验结果表明, 触发激光脉冲消失后仍存在载流子产生与倍增机理, 电流脉冲上升时间明显小于载流子以饱和速率在开关电极间的渡越时间, 相当于载流子以 108m/s的速度穿越 GaAs间隙, 比强电场强度下载流子的饱和漂移速率大一个数量级PCCS的触发电场强度阈值大于开关材料的负微分迁移率区的电场强度阈值 （耿氏电场强度）用不同工艺制备的 GaAs材料的耿氏电场强度阈值有所不同, 一般在 3.2 - 3.9Kv/cm 之间, 均小于最小触发电场阈值. Lock_On电流波形 线形电流波形