不同激光二极管能量触发下GaAs 光导开关研究

GaAs 光导开关在较高的场强下可工作于雪崩模式,为此设计了异面体结构的GaAs 光导开关以提高开关场强。 设计的开关芯片厚度为2mm,电极间隙为3mm,利用半导体激光二极管对开关进行了触发实验。当开关充电电压超过 8kV 后,开关输出脉冲幅度显著增强,输出脉冲前沿快于光脉冲,开关开始了雪崩工作模式,且随着开关电场不断增加, 开关输出电压幅值也线性增加。在不同触发能量下,开关输出电压幅值和波形基本没有改变,但在较高的触发能量和高 的偏置电场下,开关抖动较小,实验中开关获得的最小抖动约500ps。     

雪崩模式下的体结构GaAs光导开关

利用能量较低的脉冲激光二极管,在较高场强下触发GaAs光导开关,使其工作于雪崩模式,从而产生纳秒上升前沿的快脉冲电压。GaAs光导开关采用垂直体结构设计,芯片厚度为2 mm,电极形状分别为圆环和圆面,触发光脉冲从圆环穿过。快脉冲产生由同轴Blumlein脉冲形成线完成。对基于GaAs光导开关的同轴Blumlein脉冲线进行了模拟仿真和实验,当充电电压超过8 kV(40 kV/cm)后,开关开始了雪崩工作模式。当充电电压约为15 kV(75 kV/cm)时,在50 Ω负载上获得了约11 kV的脉冲电压,实验波形与仿真波形一致。对开关抖动进行了测试,其测试结果显示开关充电电压对抖动影响很大,随着开关偏压增加,开关抖动减小,开关获得了最小抖动约700 ps。     

吸收因子对GaAs光导开关输出电压幅值的影响

研究了吸收因子与GaAs光导开关输出电压幅值的关系.考虑了开关电场对吸收系数的影响,导出了输出电压与吸收因子之间的函数关系式.在不同波长、间隙宽度、触发光脉冲能量条件下进行理论仿真,并与没有考虑吸收因子的情况相比,研究结果表明吸收因子对光导开关的输出电压幅值有重要影响,吸收因子减小了光导开关的输出电压幅值,延长了输出电压达到饱和状态的时间,增大了开关饱和触发光脉冲能量.在实际应用中应该对光导开关的吸收特性加以考虑.     

用1553nm激光脉冲触发GaAs光电导开关的研究

用1553nm飞秒光纤激光器触发半绝缘GaAs光电导开关的实验表明,当光电导开关处于3.33～10.3kV/cm的直流偏置电场并被脉冲宽度200fs且单脉冲能量0.2nJ的激光脉冲照射时,开关表现为线性工作模式,开关输出峰值电压为0.8mV.分析表明,开关对波长为1553nm触发激光脉冲表现出的弱光电导现象起因于半绝缘GaAs材料EL2深能级的作用.     

基于光导开关和平板线的固态脉冲功率技术

紧凑型固态化是脉冲功率技术发展的趋势,研究了基于 GaAs光导开关和陶瓷平板传输线的固态脉冲功率技术。紧凑型固态脉冲功率系统的关键部件主要包括固态陶瓷平板传输线,高功率 GaAs光导开关以及激光二极管触发系统。研究了单路 Blumlein脉冲形成线输出特性,分析了 GaAs光导开关非线性导通带来的损伤,并开展了单路 Blumlein脉冲形成线实验。结果表明：研制基于固态平板传输线、光导开关以及激光二极管触发系统的紧凑型脉冲功率具有可行性,负载上获得了超过20 kV的高压脉冲输出。     

基于GaAs光导开关的纳秒脉冲源设计

以高密度聚乙烯介质平板型B线为储能器件,设计了一台层叠Blumlein传输线型脉冲功率源。以GaAs PCSS为开关,通过4级B线层叠结构实现电压倍增。单级B线阻抗25Ω,时间常数2.5 ns,功率源总阻抗100Ω。Pspice模拟表明:随着开关导通电阻上升,输出电压脉冲幅度下降,脉宽增大;随着开关转换时间增长,输出脉冲延迟时间上升,前、后沿时间增长。采用波长为1 064 nm,能量为30 mJ,脉宽为5 ns的Nd:YAG激光器触发光导开关,当充电25 kV时,负载上得到电压38 kV,上升沿1.4 ns,脉冲约5 ns的近似方波输出。     

用光导开关产生高压、高功率超快电脉冲

基于半导体材料的光导效应,设计并制做光导开关,在偏压为4000V,负载电阻Z0为50Ω时,用脉宽为～12ns的激光脉冲辐照光导开关,得到脉宽为～16ns,峰值电压为～1.8kV,峰值功率为～65kW的电脉冲,本文并对光导开关的技术关键进行了分析。     

用1064nm激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关的奇特光电导现象

报道了用1064nm激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关的一种奇特光电导现象.GaAs光电导开关的电极间隙为4mm,当偏置电场分别为2.0和6.0kV/cm时,用脉冲能量为0.8mJ,宽度为5ns的激光触发开关,观察到开关输出的线性和非线性工作模式.当偏置电场增至9.5kV/cm,触发光脉冲能量在0.5～1.0mJ范围时,观察到奇特的光电导现象,开关先输出一个线性电脉冲,经过大约20～250ns时间延迟后,触发光脉冲消失,开关又输出一个非线性电脉冲.这一奇特光电导现象的物理机制与半绝缘GaAs中的反位缺陷和吸收机制有关.分析计算了线性与非线性电脉冲之间的延迟时间,结果与实验观察基本吻合.     

GaAs光导开关lock-on模式的高倍增偶极畴模型

采用瞬态电脉冲测试电路,对砷化镓(GaAs)光导开关线性与锁定(lock-on)工作模式的临界状态进行了系统的实验测试,得到阈值条件附近波形变化情况及lock-on模式下电压转换效率显著提高现象.根据实验测试结果,提出了高倍增偶极畴模型,并结合载流子雪崩倍增理论,对实验观察到的若干临界实验现象进行了合理的解释.     

用1553nm激光脉冲触发GaAs光电导开关的研究

用15 5 3nm飞秒光纤激光器触发半绝缘GaAs光电导开关的实验表明,当光电导开关处于3 33～10 3kV/cm的直流偏置电场并被脉冲宽度2 0 0fs且单脉冲能量0 2nJ的激光脉冲照射时,开关表现为线性工作模式,开关输出峰值电压为0 8mV .分析表明,开关对波长为15 5 3nm触发激光脉冲表现出的弱光电导现象起因于半绝缘GaAs材料EL2深能级的作用.     

大功率半导体激光器脉冲驱动电源研制

研制了一种大电流、窄脉宽的半导体激光器驱动电源,该驱动电源激励半导体激光器用于驱动砷化镓光导开关。驱动电路采用高速金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为开关,为半导体激光器提供一个前沿快(1.2 ns)、脉宽窄(15 ns)、峰值电流大(72 A)的脉冲驱动电流,并可根据需要调节电路中的参数,获得不同前沿、不同脉宽、不同峰值的电流脉冲。半导体激光器输出的激光脉冲功率可达75 W,上升前沿约3 ns,抖动均方根小于200 ps,可稳定触发工作在非线性模式下的砷化镓光导开关。     

Light controlled prebreakdown characteristics of a semi-insulating GaAs photoconductive switch

A 4 mm gap semi-insulating(SI) GaAs photoconductive switch(PCSS) was triggered by a pulse laser with a wavelength of 1064 nm and a pulse energy of 0.5 mJ.In the experiment,when the bias field was 4 kV, the switch did not induce self-maintained discharge but worked in nonlinear(lock-on) mode.The phenomenon is analyzed as follows:an exciton effect contributes to photoconduction in the generation and dissociation of excitons. Collision ionization,avalanche multiplication and the exciton effect can supply carrier concentration and energy when an outside light source was removed.Under the combined influence of these factors,the SI-GaAs PCSS develops into self-maintained discharge rather than just in the light-controlled prebreakdown status.The characteristics of the filament affect the degree of damage to the switch.     

半绝缘GaAs光电导开关的光控预击穿特性

用波长1064nm,触发光能为0.5mJ的激光脉冲触发电极间隙为4mm的半绝缘（SI）GaAs光电导开关,当偏置电压达到4kV时,开关并未引发自持放电,而是进入非线性（lock-on）工作模式,即开关处于光控预击穿状态。分析认为：通过激子的产生和离解激子效应贡献了光电导;碰撞电离、雪崩倍增、激子效应补充了因外界光源撤出后所需的载流子浓度和能量。在上述因素的相互作用下,SI-GaAs 光电导开关并没有引发自持放电而是处于光控预击穿状态,丝状电流特性影响着开关的损伤程度。     

红外猝灭非线性砷化镓光电导开关产生太赫兹的实验研究

在实验上对光激发电荷畴进行有效的猝灭,是利用具有雪崩倍增效应的非线性砷化镓光电导开关作为太赫兹辐射源的关键问题之一。提出了基于双光束红外激光来猝灭砷化镓光电导开关的非线性模式的初步实验方法,两束激光时延为100 ps,其中第二束为猝灭光。实验中,12 mm间隙的砷化镓光电导开关偏置电压可达到32 kV,输出电流为900 A。同时,14 mm间隙开关在20 kV偏置、毫焦光能触发条件下,可连续工作230次,输出波形具有较好的重复性。结果表明,双光束红外激光能够猝灭非线性模式,重复工作性能稳定,对高重复频率触发下光电导方法产生高功率太赫兹辐射的研究奠定了前期实验基础。     

非线性GaAs光电导开关的瞬态特性分析

基于能量守恒原理推导出非线性GaAs光电导开关电路的差分公式,代入实验数据计算出开关的瞬态电压、电阻、功率.该方法解决了长期以来非线性GaAs光电导开关的瞬态特性难于测量的问题.通过GaAs光电导开关的瞬态电压曲线知,在锁定期间开关平均电场强度总是大于耿氏阈值,并随时间单调递增.通过对比开关与其电路电源的瞬态功率曲线,证明了电源功率不足是导致GaAs光电导开关从锁定状态进入自关断状态的根本原因,因此提出了在锁定期间通过改变电路的功率分布使开关可控关断的思想.     

介质壁加速器用GaAs光导开关的通态电阻测量

GaAs光导开关可作为紧凑型脉冲功率系统的主要器件,如光导开关在介质壁加速器中的应用。为了研究通态电阻对开关性能的影响,采用平板传输线和同轴电缆作为脉冲形成线,测量了3mm电极间隙的GaAs光导开关的通态电阻。测量结果表明：电极间隙为3mm的GaAs光导开关的通态电阻为14．9Ω,光导开关通态电阻的存在将导致开关热损伤,降低脉冲功率系统的电压输出能力,缩短GaAs光导开关的使用寿命。     

大功率超快半导体光电导开关的触发瞬态特性

报道了用ns和fs超快脉冲激光器触发GaAs光电导开关的实验结果.用μJ量级的ns光脉冲触发3mm间隙的GaAs光电导开关,观察到线性和非线性工作模式,峰值电流达560A.当用重复率为76MHz的fs激光脉冲串触发同一器件时,电流脉冲上升时间小于200ps.