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高功率GaAs光电导开关的特性与击穿机理研究

田立强  
【摘要】: 光电导开关(Photoconductive Semiconductor Switches简称PCSS's)具有耐压强度高、通流能力强、寄生电感电容小、开关速度快和皮秒时间精度等特性,使其在超高速电子学、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)具有广泛的应用前景。特别是GaAs、InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体PCSS's中存在的高倍增模式(亦称非线性模式、或lock-on效应),使光电导开关的应用更为有效、方便、灵活。本文针对光电导开关理论和应用研究中存在的问题,采用理论计算和实验相结合的方法,对半绝缘GaAs光电导开关中的高场畴特性、高倍增模式的产生机理、开关的高电压强电流特性和击穿机制进行了较为系统、深入的研究,具体研究内容和结论如下: 从实验上发现了光激发电荷畴的两种振荡模式:猝灭畴模式和延迟畴模式。分析指出两种振荡模式是由于开关电路自激振荡形成的交流场对开关偏置电场周期性动态调制引起的。在适当的触发光能和偏置电场条件下,电荷畴在渡越过程中,当开关电场低于电荷畴维持电场(维持电荷畴生存需要的最小电场)时,电荷畴将在到达阳极前湮灭,形成光激发电荷畴的猝灭畴模式,交流场周期性的调制,便形成猝灭畴振荡;若在适当的触发光能和偏置电场条件下,电荷畴在渡越过程中,当开关电场低于电荷畴的阈值电场、而高于维持电场时,电荷畴到达阳极湮灭后,新的电荷畴不能及时形成,只有当开关电场再次上升到阈值电场以上时,电荷畴才可再次形成,即电荷畴的形成被延迟,以上过程的不断重复便形成延迟畴振荡模式。在理论分析的基础上,结合相关实验,给出了光激发电荷畴的等效电路模型。利用等效电路模型对开关的猝灭畴振荡作了定量的计算,理论计算与实验基本一致。 提出半绝缘GaAs光电导开关非线性模式的多畴理论模型,并在不同偏置电压条件下测量了半绝缘GaAs光电导开关的lock-on电场。理论计算表明高浓度的光生载流子可使电荷畴内的电场达到材料的本征击穿强度,使畴内发生伴有复合辐射的强烈碰撞电离,新的电荷畴可以由复合辐射再吸收激发的载流子不断的形成,在开关体内形成一定数量的光激发电荷畴;理论分析指出开关的lock-on电场是由于开关体内固定的电荷畴数量和畴内外稳定的电场分布引起的,开关的快速导通是由于种子畴(传播在电离区最前面的电荷畴)的传播速度相当于以光速和电子的饱和漂移速度交替运动引起的。依据半绝缘GaAs非线性光电导开关的产生机理,设计了由光电导开关与火花隙构成的串联型组合开关。利用组合开关两部分先后导通过程中电压的转移,使光电导开关的分压小于畴的维持电压,通过畴的猝灭,迫使开关关断,有效的抑制了lock-on效应。同时提高了开关的输出电流。 通过开关电极刻蚀,研制了耐压高达32kV、通流能力达3.7kA的高功率半绝缘GaAs光电导开关。测量了开关不同触发条件下的通态电阻,对开关进行了耐压实验和寿命实验,在20kV/400A工作条件下,开关的寿命达350次。 分析了开关的击穿机理。理论分析表明不同类型的击穿痕迹是由于不同的击穿机理引起的。贯通电极的丝状击穿痕迹是由于电子俘获形成的陷阱链导电路径导致电流剧增使开关热击穿而形成;阳极严重损坏的击穿是由于陷阱填充和转移电子效应引起阳极电场剧增导致的。依据相关实验和击穿机理,对两种不同的击穿类型分别进行了理论计算,计算结果与实验基本吻合。


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