基于多雪崩电离畴的砷化镓光导开关雪崩导通机理研究

GaAs photoconductive semiconductor switch (PCSS) in avalanche mode based on semi-insulating wafer possesses properties of high voltage, ultrafast switching, low energy triggering and fairly low delay jitter. The ultrawide spectrum (UWS) pulse generator based on GaAs PCSS can achieve miniaturization, modularization and array, which possesses broad prospect of applications in civil and military fields. In this proposal, combining with theoretical analysis, device modeling and experimental research, the turn-on mechanism, switching properties and device lifetime of the GaAs PCSS is analyzed. We investigate the physical behaviors during the switching, and evolution of multiple powerfully avalanching domains is discussed as the physical reason of the ultrafast switching. The effects of operating conditions on the key parameters such as turn-on time and triggered optical energy are studied. Analysis of current density distribution in the current channel and its influence on the device lifetime is carried out, and design method of long-life GaAs PCSS is explored, and a new structure is proposed to improve the device performance. This project is important for improving the performance of all-solid-state UWS pulse generator, and promoting the development and application of pulsed power technology in the fields of high power microwave, UWS electromagnetic radiation et. al.

工作于雪崩模式的半绝缘砷化镓(Gallium Arsenide, GaAs)光导开关(Photoconductive semiconductor switch, PCSS)具高电压、超快速导通、低光能触发和低延时抖动等优势，基于该器件的超宽谱电磁脉冲源易实现小型化、模块化和阵列化，在脉冲功率技术的军用和民用领域具有重要的应用价值。本项目采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的技术方法，重点研究GaAs PCSS的雪崩导通机理，研究开关导通过程中多雪崩电离畴演变物理特征，并研究工作条件对开关导通时间、触发光脉冲能量等关键参数的影响规律。在此基础上，研究电流丝通道内电流密度分布特征及其对器件寿命的影响，提出长寿命GaAs PCSS的设计方法和新型器件结构。本项目对于提高全固态超宽谱电磁脉冲源的性能水平、推动脉冲功率技术在高功率微波等领域的发展和应用具有重要的理论意义和实用价值。

高重复频率超宽谱脉冲在民用和军用领域拥有广阔的应用前景，高重复频率超宽谱脉冲源的关键技术参数主要由固态脉冲功率器件性能决定。雪崩模式的砷化镓(Gallium Arsenide, GaAs)光导开关(Photoconductive Semiconductor Switches, PCSS)具有高电压、超快速导通、低光能触发等优势，容易实现超宽谱脉冲源的模块化、小型化和阵列化。因此，研究基于砷化镓雪崩光导开关(以下简称PCSS)的高重复频率超宽谱脉冲源技术具有重要意义。.建立了PCSS仿真模型，研究了电流通道内电场和载流子浓度等关键物理参数分布的变化规律，提出了PCSS的多雪崩电离畴物理模型，能够解释PCSS低光能触发、超快速导通和电压锁定等特征。PCSS受光触发后，电流通道内产生多个高电场(200-600 kV/cm)雪崩电离畴，雪崩电离畴随等离子体浓度提高而发展、湮灭，导致开关延迟一定时间后超快速导通，开关导通后，电流通道内仍存在少量雪崩电离畴，使开关电压锁定。 仿真研究了PCSS的导通时间随偏置电场和电流密度的变化规律，导通时间主要由偏置电场和电流密度决定，随着偏置电场和电流密度的提高，导通时间减小，最快导通时间约100 ps；仿真研究了触发光脉冲波长和触发位置对PCSS触发光能量和延迟时间的影响，阴极触发比阳极触发需要的触发光能量更小，且延迟时间更小。仿真结果与实验结果一致。.设计并制作了半绝缘型体结构PCSS，建立了响应时间100 ps的测试电路。半绝缘型PCSS偏置电压为5.2 kV，导通时间220 ps，阴极触发所需的触发光能量仅为1.8 nJ，恢复时间为4.2 μs；研究分析了电流密度分布对体结构PCSS寿命的影响，PCSS首先在电流密度较大的地方损坏，阳极触发比阴极触发可提高器件寿命，以上分析结果也得到了实验验证，研究认为采用透明电极取代体结构PCSS的光触发面电极，可在PCSS电流通道内形成均匀电流密度分布，有利于提高器件寿命。采用pin体结构，PCSS工作电压提高至8 kV。.研制了基于PCSS的高重频超宽谱脉冲源，脉冲形成线充电电压为8.0 kV时，实验输出脉冲峰值电压为6 kV，脉冲前沿300 ps。