高功率激光触发时高偏置场强GaAs光导开关光电导机理研究

GaAs PCSS has shown different features from traditional non-linear mode at high bias electric-field (above the threshold of non-linear mode) and high power laser such as no obvious current filament and long lifetime at high current conditions. This project is aimed at this phenomenon. The process of carrier generating will be ensured through the analysis of the electrical properties and transient image at different experimental conditions. A model of the resistance for the high bias electric-field PCSS of high power laser triggering will be established based the theoretical analysis. The comparison between the resistant model and test result will be carried out. The influence of material parameters, trigger circuit parameters and optical parameters will be synthesized and the photoconductive mechanism will be analyzed from the generating and recombination of the carrier. And then the factors that affect the switch performance degradation will be analyzed. Finally the method will be presented for the further improving of switch lifetime.

高功率激光触发时高偏置场强GaAs光导开关表现出与传统非线性模式不同的工作特性，例如无明显的电流丝现象、大电流条件下的长寿命等。本项目针对这一现象开展研究，通过不同实验条件下开关电学性能及瞬态图像的分析，明确高功率激光触发时高偏置场强GaAs光导开关内载流子的产生过程，在此基础上通过理论分析建立开关电阻模型并与实验结果进行对比，综合材料参数、触发光参数和外电路参数对开关光电导特性的影响，结合建立的电阻模型从载流子的产生及复合的角度分析其光电导机理；分析该条件下光导开关性能退化的影响因素，提出在该条件下进一步提高开关寿命的方法。从而推动GaAs光导开关在重复频率脉冲功率技术中的应用。

本项目瞄准特定条件下的砷化镓光导开关有别于现有理论的特殊现象，探索其光电导机理。.项目首先对高功率激光触发时，高偏置场强GaAs 光导开关载流子的产生过程研究，改变触发能量、光斑形状、偏置电压等外部工作条件，对开关电参数的测量结果及瞬态图像进行了对比，结果表明：在激光提供了足够的光生载流子情况下，开关电场低于GaAs材料负微分迁移率的阈值场强，从而抑制了电荷畴的产生，导致开关无法进入非线性模式，没有出现典型的电流丝现象，同时，实验结果也明确了触发光特性和外电路参数对开关光电导特性的影响。由于高功率激光触发时，高偏置场强GaAs 光导开关载流子的由激光产生，因此其满足光生载流子的产生规律，在此基础上，课题组建立了光导开关的电阻模型，模型计算得到的开关导通电阻与实验结果吻合。在此基础上步明确了高偏置场强GaAs 光导开关在这一特定工作条件下的光电导机理为：由于电路各元件的分压，开关的电场低于初始偏置电场，达不到非线性的电场阈值条件，开关在高偏置场强条件下载流子仍然由激光产生，开关电阻可以采用线性条件下的电阻模型，但需要考虑由于偏置电场提高带来的迁移率变化的影响。在该工作条件下，对开关寿命进行了测试，结合开关的形貌观察，初步明确了开关性能退化的原因为电极区在强电流条件下的烧蚀。.综上所述：项目通过深入研究外部工作条件的动态变化（开关电场的变化、触发激光的变化等）等对开关光电导特性的影响，对实验现象进行分析，明确了在特定的条件下的光导开关的光生载流子来源，建立了开关电阻模型，探明了该条件下的开关光电导机理，初步明确了开关的损伤原因。研究结果表明，这一条件下开关具有高功率容量和长寿命，但是需要较高的触发光能，因此，开关面临的主要问题从寿命变为了如何提高光能的利用效率，这对于指导开关的设计具有重要意义。.