GaAs光電導(dǎo)開關(guān)中載流子輸運規(guī)律研究.pdf

1、半導(dǎo)體光電導(dǎo)開關(guān)(Photoconductive semiconductor switches)是利用超短脈沖激光器與光電導(dǎo)體(如：Si,GaAs,InP等)相結(jié)合形成的一類新型開關(guān)器件,具有快速響應(yīng)(皮秒上升、下降時間),GHz的重復(fù)率,無觸發(fā)晃動,寄生電感電容小等優(yōu)點。在THz技術(shù)、超高速電子學(xué)、超寬帶雷達、脈沖功率技術(shù)等高科技領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。光電導(dǎo)開關(guān)中光生載流子的輸運及輸運引起的瞬態(tài)電磁過程決定開關(guān)的輸出特性。本文以光電

2、導(dǎo)開關(guān)載流子輸運規(guī)律為研究目標(biāo),利用理論和數(shù)值方法,分別對線性和非線性工作模式下的載流子輸運規(guī)律及其對輸出的影響進行了研究,完成以下工作：一、提出光電導(dǎo)開關(guān)線性模式下的全電流導(dǎo)通模型利用電磁學(xué)理論研究了橫向光電導(dǎo)開關(guān)光生載流子輸運引起的瞬態(tài)電磁過程。在低電場偏置,均勻弱光觸發(fā)條件下的線性工作模式中,將光電導(dǎo)開關(guān)內(nèi)瞬態(tài)電磁過程形成的位移電流分為兩類：1.由光生載流子輸運在光電導(dǎo)體內(nèi)形成的瞬變內(nèi)建電場所引起的位移電流；2.由測試電路中負(fù)載與

3、光電導(dǎo)開關(guān)瞬態(tài)分壓引起的位移電流。分析了兩者對橫向光電導(dǎo)開關(guān)的激活條件。建立了基于載流子輸運過程與瞬態(tài)電磁過程的全電流模型。與僅考慮載流子輸運的電導(dǎo)率模型相比,全電流模型能夠更精確的描述載流子輸運與輸出電流之間的時域關(guān)系,并描繪出光電導(dǎo)開關(guān)輸出電流清晰的形成機理。二、提出光激發(fā)電荷疇限制流效應(yīng)在強電場偏置,非均勻觸發(fā)弱光觸發(fā)條件下的線性GaAs光電導(dǎo)開關(guān)中,利用數(shù)值方法研究了光生電子在負(fù)微分遷移率作用下的非線性輸運規(guī)律。分析了線性工作模

4、式下光激發(fā)電荷疇形成的物理過程,提出光激發(fā)電荷疇限制流效應(yīng),認(rèn)為線性模式下光電導(dǎo)開關(guān)的輸出電流受光激發(fā)電荷疇限制流的限制。三、提出了二次光子激勵下的雪崩疇模型來解釋GaAs光電導(dǎo)開關(guān)非線性模式。首先,利用數(shù)值方法,研究了光生載流子輸運規(guī)律及內(nèi)建電場瞬態(tài)分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上結(jié)合GaAs材料光學(xué)特性,研究了非線性模式下光電導(dǎo)體內(nèi)的瞬態(tài)光學(xué)特性。結(jié)果表明非線性模式下的光電導(dǎo)體內(nèi)不但存在電學(xué)非均勻性,同時還存在強光學(xué)非均勻特性。其次,研究了強光

5、學(xué)非均勻特性的作用下,光生載流子通過二次光子的發(fā)射和再吸收過程重新分布的規(guī)律。結(jié)果表明：二次光子的再吸收能夠?qū)σ呀?jīng)達到穩(wěn)態(tài)的光激發(fā)電荷疇進行二次激勵。在足夠的激勵強度下,光激發(fā)電荷疇成長為雪崩疇。最后,提出了二次光子激勵下的雪崩疇模型來解釋光電導(dǎo)開關(guān)非線性模式,該模型能夠較全面解釋GaAs光電導(dǎo)開關(guān)非線性模式下的各項特征。四、實驗驗證了光激發(fā)電荷疇限制流效應(yīng)。在對GaAs光電導(dǎo)開關(guān)電極制作、絕緣保護、傳輸電路設(shè)計等制作技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,