（物理电子学专业论文）非线性gaas光电导开关的电流丝机理研究.pdf

论文题目：非线性g “s 光电导开关的电流丝机理研究嘲 学科专业：物理电子学 研究生：马成 指导教师：施卫教授 摘要 签名：煦 签名：李丝 与传统开关相比，g a a s 光电导开关具有开关速度快、时间抖动小、触发无晃动、 寄生电感电容小、高重复频率、结构简单特别是耐高压及大功率容量等优点使其在超 高速电子学领域具有广泛的应用前景。特别是g a a s 、i n p 等i i i v 族化合物半导体光电 导开关中存在的非线性模式( 亦称载流子倍增模式) ，使光电导开关的在功率脉冲中的应 用更为有效、广泛、方便、灵活，然而非线性工作模式下伴随有丝状电流现象，且电 场锁定时间长达数十个微秒，极易造成开关电极和芯片材料的损伤，极大地影响了开关 的输出功率和使用寿命。 本文从g a a s 材料性质出发，通过实验和理论分析了光电导开关的导通机理，指 出高倍增模式下工作的光电导开关许多性质类似气体流注，如载流子穿越速度大于其 饱和漂移速度，另外电流丝现象也类似气体放电。非线性g a a s 光电导开关的流注模 型包括三个方面：即流注的产生、流注的发展和l o c k o n 效应，并用此模型对丝状电流 速度性质进行了详细的研究。通过实验分析并提出形成丝状电流所需的两个条件：一 个是载流子密度不能小于1 0 1 7e m 一，另一个是电场大于2 5 0k v c m 。在此基础上，计算 出了丝状电流的速度为2 1 0 8c m s 。文中用f k 效应与等离子体收缩效应解释了电流 成丝的原因。 本文还分析了开关的击穿机理，指出光电导开关存在完全击穿和不完全击穿两种 击穿状态，并且丝状电流是造成这两类击穿的主要原因，丝状电流内部的载流子浓度和 速度，以及偏置电压强度是造成这两类击穿主要因素，最后提出了避免光电导开关击穿的 方法。 关键字：g a a s 光电导开关；非线性模式；流注模型；丝状电流；击穿 本研究得到国家自然基金( n o 5 0 8 3 7 0 0 5 ，1 0 8 7 6 0 2 6 ) 的资助。 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d y0 fc u r r e n tf i l a m e n t m e c h a n i s mo f n o n l i n e a rs e m i i n s u l a t l o ng a a sp h o t o c o n d u c t i v e s e m l c o n d u c t o rs w i t c h e s m a j o r ：p h y s i c a l e l e c t r o n i c s n a m e ：c h e n gm a s u p e r v i s o r ：p r o f w e is h i a b s t r a c t s i g n a t ur e 细出 s i g n a t u r e ：心f ：g 幺 c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a ld e v i c e ss u c ha ss p a r kg a p s o r t h y r a t r o n s ，g a a s p h o t o c o n d u c t i v es e m i c o n d u c t o rs w i t c h e s ( p c s s s ) d e m o n s t r a t em a n ya d v a n t a g e ss u c h a s h i g hp o w e r , s m a l lp a r a s i t i cc a p a c i t a n c e ，f a s ts w i t c h i n gs p e e d ，h i g hr e p e t i t i o nf r e q u e n c n a n d i i t t e r - f r e eo p e r a t i o n ；t h u s ，t h e s e s w i t c h e sh a v e b e e nw i d e l yu s e di nu l t r a h i g hs p e e d e l e c t r o n i c s i np a r t i c u l a r t h ei i i vc o m p o u n dp c s s sh a v ed e m o n s t r a t e dt w oo p e r a t i o n m o d e sa n daf a s tr e s p o n s ew i t h i np i c o s e c o n dr a n g e i th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s b u t a s s o c i a t e dw i t ht h en o n l i n e a rw o r km o d e ，t h ec u r r e n tf i l a m e n ta n dt h ef i e l d ，w h i c hl o c k e d f o rt e n so fm i c r o s e c o n d s ，c a u s eg r e a td a m a g et ot h ep c s s s ，a n dh a sg r e a t l ya f f e c t e dt ot h e r e u s e do u t p u ta n dt h el i f eo ft h es w i t c h t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r o p e r t i e so fg a a sm a t e r i a l s ，t h r o u g he x p e r i m e n ta n d t h e o r e t i c a l a n a l y z e dp h o t o c o n d u c t i v es w i t c h e sc o n d u c t i o nm e c h a n i s m i n d i c a t et h a tm a n y c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh i g hg a i np h o t o c o n d u c t i v et u r n o np r o c e s sa r er e m a r k a b l ys i m i l a rt o t h a to ft h eg a sd i s c h a r g es t r e a m e r , o fw h i c ht h et r a n s i tt i m ei sk n o w nt ob es h o r t e rt h a nt h e c h a 工殳ec a r r i e r sd r i f tt i m e i na d d i t i o n ，t h ec u r r e n tf i l a m e n to b s e r v e da tt h eh i g hg a i np c s s s r e s e m b l e st h es t r e a m e ri ng a sd i s c h a r g e i nt h i sp a p e gt h en e wm o d e lc o m b i n i n g d h o t o a c t i v a t e dc h a r g ed o m a i nt h e o r yw i t ht h es t r e a m e rm o d ec a nb ee m p l o y e dt oe x p l a i n t h er a c e h a n i s mo fn o n 1 i n e a rp h e n o m e n ao fp c s s ss u c ha sl o c k o i le f f e c ta n dt h ec u r r e n t 氍l a m e n t t h em o d e li n c l u d e st h r e ea s p e c t s ：t h e s t r e a m e r g e n e r a t i o n ，t h e s t r e a m e r d e v e l o p m e n ta n dl o c k o ne f f e c t t h e r ea r et w oc o n d i t i o n sf o rs t r e a m e rf o r m a t i o n ：o n e i st h e c a r r i e rd e n s i t yw h i c hs h o u l db en o tl e s st h a n10 1 7 c m 一，a n da n o t h e ri st h ee l e c t r i cf i e l d w h i c hs h o u l db em u c hh i g h e rt h a n2 5 0k v c m b a s e do nt h i ss t r e a m e rm o d e ，t h ec u r r e n t 西安理工大学硕士学位论文 h 、_ _ _ - - - - _ _ 一 f i l a m e n tv e l o c i t yw a sc a l c u l a t e da sa b o u t2xl0 8c m s t h e nu s ef r a n z k e l d y s he f f e c ta n d p l a s m as h r i n k a g ee f f e c te x p l a i n e dt h ec u r r e n ti n t of i l a m e n tp h e n o m e n o n a tl a s t ，t h r o u g he x p e r i m e n ta n a l y z et h es w i t c hb r e a k d o w nm e c h a n i s m i n d i c a t et h a t t h e r ea r et w ok i n d so fb r e a k d o w ns t a g e s ，t h e r ea r et h ec o m p l e t e l yb r e a k d o w na n dt h e i n c o m p l e t eb r e a k d o w n a n dc u r r e n tf i l a m e n t sa r ec a u s e db yt h e s et w ok i n d so fb r e a k d o w n o fm a i nr e a s o n c a u s e st w ok i n d so fb r e a k d o w nm a i n l yd e p e n d so nt h ec u r r e n tf i l a m e n t i n t e r n a lc a r r i e r si n t e n s i t y ，c a r r i e r ss p e e d ，a n db i a sv o l t a g e t h e nt h ep a p e rp r o p o s e st o i m p r o v et h el i f eo fp c s s sm e t h o d k e yw o r d s ： g a a sp h o t o c o n d u c t i v e s w i t c h ， n o n l i n e a rw o r km o d e ，s t r e a m e rm o d e l ， b r e a k d o w n ，c u r r e n tf i l a m e n t t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e rg r a n t ( n o 5 0 8 3 7 0 0 5a n d10 8 7 6 0 2 6 ) 目录 目录 l 上 l 1 日u 舌1 1 1g a a s 光电导开关的发展历史1 1 2g a a s 光电导开关的理论研究现状2 1 3g a a s 光电导开关的实用研究现状2 1 4g a a s 光电导开关的应用3 1 5 半绝缘g a a s 性质4 1 5 1 半绝缘g a a s 物理化学性质4 1 5 2 半绝缘g a a s 晶体结构4 1 5 3g a a s 半导体的能带结构一4 1 5 4g a a s 半导体的性质一6 1 6 本文主要研究内容6 1 7 本章小结7 2g a a s 光电导开关结构和导通机理8 2 1g a a s 光电导开关结构一8 2 2g a a s 光电导开关工作原理一9 2 3g a a s 光电导开关工作模式1 0 2 3 1 线性工作模式1 0 2 3 2 光电导开关非线性工作模式1 1 2 4 非线性工作模式的理论模型1 2 2 4 1 与场有关的陷阱俘获模型1 2 2 4 2 亚稳态碰撞电离理论1 2 2 4 3 双载流子注入模型一1 2 2 4 4 雪崩注入理论13 2 4 5 深能级杂质碰撞电离模型1 3 2 4 6 高密度碰撞电离理论13 2 4 7 光激发电荷畴模型1 4 2 5 本章小结1 4 3 非线性模式下丝状电流的机理1 5 3 1g a a s 光电导开关导非线性实验研究1 5 3 1 1g a a s 光电导开关实验装置15 3 1 2g a a s 光电导开关1 5 3 1 3g a a s 光电导开关实验电路1 6 3 1 4 实验结果1 6 3 1 5 实验结果分析17 l 西安理工大学硕士学位论文 3 2 不同介质下的丝状导电通道1 8 3 2 1 气体下的丝状导电通道1 8 3 2 2 液体下的丝状导电通道1 9 3 2 3 半导体下的丝状导电通道2 0 3 3 非线性下g a a s 光电导开关的流注模型2 1 3 3 1g a a s 光电导开关中丝状导电通道2 1 3 3 2 非线性下g a a s 光电导开关的流注模型2 2 3 4 丝状电流的速度2 6 3 5 电流成丝的机理分析2 7 3 6 本章小结一2 8 4 丝状电流对g a a s 开关寿命的影响3 0 4 1g a a s 光电导开关的击穿类型3 0 4 2g a a s 光电导开关非线性下的击穿实验：3 0 4 3 非线性下的不完全击穿的分析3 1 4 4 非线性下的完全击穿的分析3 3 4 5 非线性下的提高开关寿命的方法3 4 4 6 本章小结3 5 5 结论3 6 5 1 本文研究工作总结3 6 5 2 未来工作展望3 6 致谢3 7 参考文献3 8 附录4 1 1 前言 l 刖罱 半绝缘砷化镓光电导开关( s e m i i n s u l a t i n gg a a sp h o t o c o n d u c t i v e s e m i c o n d u c t o r s w i t c h e s 简称p c s s s ) 是一种工作在超快领域和高功率领域的半导体光电子器件，它是 g a a s 和超快脉冲激光器组合的一种新型光电开关器件，其原理是利用脉冲激光触发半绝 缘g a a s ，使其电导率迅速发生急剧变化，并产生出电脉冲。光电导开关超快的性质，本 质上是利用半绝缘g a a s 短的载流子寿命( n s 量级) ，和其超快的光电响应( p s 量级) 来实现 的3 。 p c s s s 在同时兼备超快电脉冲功率和带宽两个优势，是超快领域中最为有效的开关器 件，并具有许多优越性：有超快的响应特性( 响应时间p s 量级) ，而且结构简单、在线性 的条件下触发稳定、没有触发抖动，有较强的耐高压、大电流的承载能力，器件结构紧凑， 比较好的同步精度，不受电磁干扰，光电隔离等优点。也就是因为这些优点，便使光电导 开关在微波技术、国防军事、超快电子学领域有着非常广阔的应用价值，而且在脉冲功率 技术、高功率器件和t h z 等领域也有着许多的应用前景。自光电导开关问世以来，一直 受到人们的关注川。 1 1g a a s 光电导开关的发展历史 1 9 7 2 年马里兰大学里的c h l e e 和s j a y a r a m a n 。等人在探究光电导开关时首次发现了 以下实验现象，光电半导体样品被皮秒量级的激光脉冲照射时，其响应时间同样为皮秒量 级乜3 。1 9 7 5 年，贝尔实验室里的a u s t o n 等人第一次制作出了在微带线上的硅光电半导体 光电导开关，公布了用皮秒激光脉冲触发光电导开关产生千伏纳秒电脉冲的论文b 3 。1 9 7 7 年，l e e 等人开发出了能工作在1g h z 重复频率下的c r ：g a a s 开关m 。1 9 8 1 年，用g a a s 与c d s o 5 s e o 5 激发出幅值高达几千千伏的不一样宽度的电脉冲的开关被m a r t h u r 和l e e 研 制出来聆3 1 9 8 7 年，美国圣地亚实验的gm l o u b r i e l 等人观察到g a a s 光导开关中存在锁定效 应，即只要外电路能够提供足够的能量，在触发光脉冲熄灭后，p c s s s 仍处于持续导通状 态，此实验也证实了大功率g a a sp c s s s 工作在非线性模式下所需要的触发光能可降数个 数量级，此实验结果便为以后研制大功率g a a sp c s s s 脉冲器件提供了非常好的理论与实 验的依据陋3 。1 9 8 9 年，圣地亚实验小组进一步证实了g a a s 光电导开关的耐高压可达1 0 0 k v ( 电场6 7k v c m ) ，并且同时展开了对非线性光电导开关的内在机理的研究旧1 。 目前，在g a a s 光电导开关的研究方面美国圣地亚国家实验室成果显著，在非线性模 式下g a a s 光电导开关的最大电压达到了2 1 0k v ，电流承载达到了8k a ，在单个开关上 最大电压可达1 0 0k v 和开关电流可达1 3k an 引。由于非线性模式下存在的高倍增特性， 可用激光二极管阵列替代庞大的y a g 激光器当触发光源，这样便可以把系统做的更为紧 凑，携带起来更为方便，此后光电导开关有了更加广阔的应用前景。 西安理工大学硕士学位论文 1 2g a a s 光电导开关的理论研究现状 三十多年前，光电导开关白问世起，它所具有各种优良特性和十分广阔的应用，一直 被人们所关注。经过许多年的发展，g a a s 光电导开关的研究也取得长足的进展，特别是 对线性模式的研究，不仅在理论上取得了丰硕的成果，同时使g a a s 光电导开关逐步达到 了可应用化的水平，与此同时，在光电导开关非线性的研究中，各国在理论和应用都取了 一些突破，并且研制出了高倍增的电子器件。 人们在对光电导开关不断进行实验研究的同时，g a a s 光电导开关的工作机理的理论 研究也在进行探索。至今为止，g a a s 光电导开关的线性工作模式已被很好的描述出来， 在其工作原理，导通机制，及各类实验现象都以做出详细的解释。 然而对g a a s 光电导开关非线性工作模式下观察到的各类复杂实验现象，内在的原理 并没有得到很好的解释，迄今为止仍在研究之中。实验中，可以观察到g a a s 光导电开关 当满足某个电场阈值和触发光能阈值时，便会出现锁定和载流子的高倍增现象，目前，没 有一种理论能够完美的对其做出解释。现今为止的理论主要有以下几个：双注入载流子陷 阱理论、亚稳态碰撞电离理论、雪崩注入理论、局部与高密度碰撞电离理论和国内西安理 工大学施卫教授提出的光激发电荷畴理论等n 卜1 6 1 。结合前人的研究成果，也只能对非线性 工作模式下的输运行为和各种复杂现象做半定量的解释，然而一种很早就在实验中观察到 的锁定现象，至今尚未对其有很好的解释，人们在对非线性工作模式进行观测时，通过对 光电导开关进行红外荧光摄像，可以观察到丝状电流的存在，通过实验测定出的丝状电流 的传播速度约为2 1 0 9c m s ，此数值仅比光在g a a s 中的传播速度略小一些，但却要比室 温下g a a s 的最大漂移速度高大约1 0 0 倍，比其在高电场时电子的饱和漂移速度高大约 2 0 0 倍n 引。这也说明了光电导开关非线性工作模式是一个非常十分复杂的工作模式。 1 3g a a s 光电导开关的实用研究现状 在进行光电导开关理论探索的同时，它的应用研究逐渐取得了新的进展。1 9 7 5 年美国 贝尔实验室d h a u s t o n 研制出了硅光电导开关，其开关电路的传输效率约为5 0 口3 。1 9 8 2 年，c s c h a n g 等人用同轴线传输系统代替了微带线传输系统，结果传输效率达到8 5 以 上n8 | 。1 9 8 4 年，m o u r o u 等人开始用g a a s $ 作高功率光电导开关口引；h a m m o n d 矛n n u n n a l l y 研制出了在高压下工作的高功率g a a s 光电导开关，此开关在2 0 0k v 偏置电压下，输出电 脉冲可达1 0 0k v 、2k a ，输出功率能达8 0m w 瞳0 。此为，国外已经可以利用两个激光二 极管触发高偏置电压下的g a a sp c s s s ，并获得输出功率为4 4m w 的电脉冲瑁1 。 国内相比国外对光电导开关的研究起步相对较晚，上世纪8 0 年代末9 0 年代初，国内的 许多研究机构和高等院校都参加了对p c s s s 器件的研制。例如上海光机所里的顾冠清等人 研制出了环形半导体光电导开关脉冲产生器幢；西安电子科技大学里的石顺祥等人研制出 了一种新的高效率b l u r n e l i n 微带型光电导开关的超短电脉冲产生器电路，其实验结果表明 此超短电脉冲发生器的峰值电压的最大转换效率高达9 0 以上乜2 1 。成都电子科技大学研制 2 1 前言 出的g a a s ：c r 光电导开关，利用此光电导开关产生高功率皮秒脉冲，测试结果表明，这种 新型超宽带脉冲源便可做为超宽带雷达的脉冲源，此外结合光电导开关提出了超宽带雷达 实验模型，此后利用i n p ：f e 材料的高阻特性，研制出开关间隙分别为2m m 矛h 3m m 的横向 光电导开关心3 | 。西安理工大学的施卫教授等人在光电导开关的耐压设计和绝缘保护等方 面，做了非常有成效的工作，成功的开发出全固态结构且耐高压高倍增超快光电导开关， 此后成功研制出耐压3 0k v ，输出电流高达3k a 的半绝缘g a a s 光电导开关口引。纵观国内的 研究现状，其工作水平还较低，应用水平也比较低，特别是在非线性模式下，光电导开关 的理论与应用研究方面与国外的研究水平还有很大的差距。 1 4g a a s 光电导开关的应用 迄今为止，p c s s s 因为其特性的各种优点，在各个领域都较为广阔的应用前景。p c s s s 应用可分为两大类：大功率脉冲与超短脉冲应用。 ( 1 ) 超短脉冲应用 光电导开关激发出电磁脉冲的上升沿可达纳秒或者亚纳秒量级，通过天线将此脉冲发 射出去，其频谱范围十分广阔，可用于太赫兹( t h z ) 技术与超宽带系统中。 t h z 技术应用非常广泛，如成像、材料特性分析、生物医学、安全检测等各个领域。 如果对样品被照射前后的t h z 时域光谱进行分析，将会获得样品的介电常数、载流子浓 度( 显微镜得不到) 等各类物理信息。产生t h z 脉冲源有许多种方法，其最有效的方法之一 便是利用p c s s s 产生t h z 电磁脉冲。 宽带雷达系统中要求p c s s s 输出电流必须足够大，而光电导开关便能工作在高电场 强度的条件下，并产生出大电流。俄罗斯与美国共同研究出超宽带微波辐射源，就是用光 电导开关列阵制作的。美国p o w e rs p e c t r a 公司研制出一个共用8 0 0 多个g a a s 高增益光 电导开关的超宽带系统，它能在空间里瞬间产生出超高电场，并且可反复进行工作幢引。 ( 2 ) 大功率脉冲应用 g a a s 材料其本征击穿电场为2 5 0k v c m ，因此开关可以承受很高的电压，这使其在 高功率系统中得到了广泛的应用。 圣地亚实验室采用p c s s s 作为军用点火系统里的脉冲压缩的核心器件，此系统的峰 值电流可达到2k a 量级，开关的触发光源是激光二极管列阵，这使整个系统的体积不到 4 0c c ，各项性能高于使用真空管开关为核心的传统系统拉引。 密西西比大学、德州理工大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室研发了耐压强度为1 0 k v ，输出电流为2 7k a 的纵向多层结构的g a a s 光电导开关，此开关可获得兆瓦量级的 脉冲信号瞳。 西安理工大学硕士学位论文 1 5 半绝缘g a a s 性质 1 5 1 半绝缘g a a s 物理化学性质 砷化镓的晶体呈暗灰色，具有玻璃金属光泽，晶格结构属于闪锌矿结构，它的相对分 子量1 4 4 6 4 ，密度为5 3 1g c m 3 ，平均原子序数为3 2 ，晶格常数为a = 0 5 6 5 4n l y l 。室温底 下，g a a s 的晶体和薄膜材料对于氧和水蒸气稳定。在6 0 0 以下，在空气中能稳定存在， 而且不被非氧化性的酸侵蚀，但能与浓硝酸发生反应，可溶于王水。g a a s 的熔点为1 2 3 8 ，其熔点时的解离压是0 0 9 5m p a ，m o h s 硬度约为4 5 。g a a s 不仅在沿( 110 ) 面解理之 外，而且还可以沿( 1 1 1 ) 面有较微弱的解理，所以可根据材料的解理性合理选择器件的晶 体平面，这样有益于提高器件质量。 1 5 2 半绝缘g a a s 晶体结构 砷化镓的化合物半导体隶属于闪锌矿晶体结构，此类晶体结构与金刚石晶体结构很类 似，同样是由两套面心立方格子，并沿着体对角线移l 4 长度套构成的，然而金刚石这两 套格子的原子为同一原子。闪锌矿型有一套是i i i 族的原子，而另一套是v 族的原子( 如 图1 - 1 ) 。因此，g a a s 晶体结构的原子排列为每个i i i 族的g a 原子周围具有最靠近的v 族 的a s 原子包围形成的正四面体，每个v 族的a s 原子周围又有i i i 族的g a 原子包围构成 的正四面体。 ；瓣褥驴瞎旃 一l 鬟凝挚 肇一￥鬣鳆于 眵今 扯 张媾r 蝼姆串g t ，瓤纂子 撵翳辫辫藕撩 图1 1 两种晶体结构的示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft w oc r y s t a ls t r u c t u r e 1 5 3g a a s 半导体的能带结构 砷化镓的能带结构要比硅和锗复杂，它的布里渊区和金刚石的结构布里渊区一样，但 其能带结构不一样。图1 2 描绘出了g a a s 的波矢k 和电子能量e 的一维分布，此图中反 映的是k = 0 为中心导带的极小值所在的方向其分布状况，从中可以看出g a a s 能带结构有 以下几个特点瞳7 屯9 | ： 4 1 前言 - l ? 。 兴 葛 砟、 f 每弋 x ， r 1八 ：一，弋瓞 l 、 少7 乓 - k 7 帖 一。 l - x 。 - 沁 图1 2 g a a s 的能带结构图 f i g 1 - 2s c h e m a t i co fg a a sb a n ds t r u c t u r e ( 1 ) k = 0 处为g a a s 的导带极小值，其价带极大值也在k = 0 处，g a a s 为直接跃迁型。 直接跃迁型能带的半导体，其价带的电子吸收光子便会跃迁到导带，或者电子从导带跃迁 到价带和空穴复合而发光，此过程应满足以下动量守恒条件。 庇尼一h k = h q 女或k 一k = q 女( 1 1 ) 后为跃迁后的电子波矢，k 为跃迁前的电子波矢，鲰为光子波矢。对于砷化镓，e g = 1 4 3e v ， 相应的波长为8 6 7n n l ，光子的波数矢为q k 7 x 1 0 4c m ，电子波数为k = 2 冗a ，g a a s 的晶格 常数为a = 0 5 6 5 4i u l l ，所以k 1 0 8 c m 。这里光矢吼显然比电子波矢k 小很多，因几乎不 能觉察可以忽略不计。此跃迁的选择定则可以近似的写成露，一七，此项说明，要发生电子 跃迁必须要求k 值保持不变，具有直接跃迁结构的砷化镓半导体显然能满足这个要求，若 间接跃迁型材料要想实现跃迁就要与晶格作用，必须把部分动量交换给晶格或从晶格获取 的一部分动量，即就是说要与声子作用，这样便能满足动量守恒，所以非直接跃迁的发生 的几率是非常小( 大约为直接跃迁的1 1 0 0 0 ) 。 ( 2 ) g a a s 在( 1 0 0 ) 方向具有双能谷的能带结构，除k = 0 处有极小值，在( 1 0 0 ) 方向边缘 上存在着比另一个中心的极小值仅仅高出o 3 6e v 的导带极小值，称为小值。因而电子具 有主、次两个能谷，由此可见g a a s 材料具有负阻性。 在室温条件下，电子一般处在主能谷中，非常难以跃迁到次级能谷中去。因为在室温 下，电子从晶体那得到的能量约0 0 2 5e v 。电子在主能谷中的有效质量较小( m = 0 0 7 m o ) ， 所以迁移率大，但在次能谷中，有效质量比较大( m = 1 2 m o ) ，迁移率小( 约1 0 0a m z ( v s ) ) 能谷中的状态密度又会比主能谷大，要是外电场超过一定阈值时，电子便可由迁移率大的 主能谷上转移到迁移率小的次能谷去，进而出现电场增大，电流减小的负阻现象，这现象 被称之为转移电子效应或体效应，是制作微波二极管的基础。1 9 6 3 年，这一效应是英国 人g u n n 发现的，也称g u n n 效应或耿氏效应。 ( 3 ) g a a s 在3 0 0 k 的禁带宽度k 为1 4 3 “。材料的& 与晶体管的工作温度上限成正 比，因此用g a a s 做的晶体管可在4 5 0 以下工作。此外，g a a s 有比硅大许多的电子迁 西安理工大学硕士学位论文 移率( 大约5 倍) ，此对提高晶体管的高频性能非常有利。 1 5 4g a a s 半导体的性质 i i i v 族的化合物半导体作为化合物半导体中非常重要的一组，在其中的g a a s 是研 究较为深入、应用也非常广泛的一种。其最重要的半导体材料的参数通常包括：介电常数、 临界雪崩击穿电场强度、禁带宽度、载流子饱和速度、载流子速度、载流子迁移率、少数 载流予寿命等。在其中，迁移率、载流子密度与载流子寿命参数的特点为易变，并且变化 范围较大，即使对一种确定的半导体而言也没有确定大小，并且这几个参数不但会随着材 料制备条件的变化而变化，也会在器件的制造过程中，甚至是器件运用过程中都会发生较 大的变化。表1 1 是g a a s 本征型材料在室温时的基本半导体参数表瞳9 | 。 表1 - 1g a a s 本征型材料室温时的基本半导体参数 t a b 1 1t h eb a s i cp a r a m e t e r so fg a a si nt h er o o mt e m p e r a t u r e 参数数值 禁带宽度( 3 0 0 k ) e g 1 4 3e v 介电常数 1 3 1 本征载流子浓度 1 7 9 1 0 6 c m 。3 迁移率( 电子空穴) 8 5 0 0 4 0 0c m 2 v s 本征电阻率 1 0 8q c m 少数载流子寿命 1 0 。8s 热导率 0 5 5w c m 电子最高漂移速度 2 1 1 0 7c m s 负微分迁移率阈值电场 3 3k v c m 1 1 能谷电子有效质量 0 0 6 8m 0 熔点 1 2 3 8 g a a s 材料为直接带隙材料，本征载流子浓度、禁带宽度、介电常数、迁移率、少数 载流子寿命、本征电阻率这些参数都会随着材料温度的变化而变化。 1 6 本文主要研究内容 半绝缘g a a s 光电导开关经过三十多年的研究，其理论研究与应用研究都取得一定的 进展，但对g a a s 光电导开关非线性工作模式的机理仍不是很清楚，至今虽有数种理论被 提出，然而这些理论不能完全解释非线性下的各类现象，本文结合了半绝缘g a a s 光电导 开关非线性现象提出的各类理论模型，针对光电导开关存在的关键性问题，并结合光电导 开关实际需要的要求做了以下工作： ( 1 ) 通过对g a a s 光电导开关在非线性模式下实验现象的探究，以及对相关数据与输出 波形的分析，详细研究了非线性模式出现的l o c k o n 锁定现象。 ( 2 ) 总结了在l o c k o n 模式下各类特殊的现象，并根据光激发电荷畴理论和气体放电 6 l 前言 理论分析非线性模式下发生此类现象的条件，对观察到在l o c k o i l 状态下存在的丝状电流 的实验现象进行理论分析。 ( 3 ) 7 i 入一种g a a s 固体中的流柱模型，给出了g a a s 光电导开关中流注产生的条件， 在其基础上解释丝状电流的快速传导特性，并结合实验进一步对丝状电流在固体中的传导 速度做出理论上的计算。 ( 4 ) 通过对g a a s 光电导开关中的击穿实验的研究，分析了丝状电流对光电导开关所造 成的损害，得到了丝状电流是光电导开关击穿一个重要的原因。 1 7 本章小结 本章首先阐述了g a a s 光电导开关的发展历史，逐一介绍了g a a s 光电导开关理论和 实用的研究现状，展望了g a a s 光电导开关应用前景，讨论了半绝缘g a a s 的各类性质， 最后简述了本文的主要研究内容。 西安理工大学硕士学位论文 2g a a s 光电导开关结构和导通机理 光电导开关的主要特征为超快特性与高功率，因此在设计开关时尽量使开关的结构简 单。g a a s 光电导开关可工作在不同的电压下，并且有两种不同的工作模式，分别为线性 工作模式、非线性工作模式。 2 1g a a s 光电导开关结构 根据光电导开关的几何位置，可将光电导开关分为两种基本结构，一种为横向开关， 另一种为纵向开关，如图2 1 所示。两电极位于开关芯片同一侧的平面内时，也就是触发 光脉冲入射方向与开关偏置电场方向互为垂直，此开关的结构为横向结构。两电极位于开 关芯片异侧的平面内时，也就是触发光脉冲入射方向与开关偏置电场方向互为平行时，此 开关的结构为纵向结构。 光脉冲 电极 光脉冲 横向开关开关芯片 纵离开关 图2 - 1 光电导开关的基本结构 f i g 2 1s c h e m a t i co fp c s s ss t r u c t u r e 横向光电导开关有许多优点，如设计简单、电导通量与较大的光照面积，还可用较宽 的波长范围的光束来触发，不论光的吸收深度为几微米还是为几百微米的所有光都可被激 活区域吸收。在线性工作模式下，开关的导通与触发光之间没有时间延迟，渡越时间与空 间电荷对于电流的制约是微不足道。均匀光照条件下，工作在线性模式下的光电导开关， 开关的峰值电流、脉宽与上升时间仅依赖于触发激光脉冲的幅值、载流子复合时间、脉宽 与开关所处的外电路结构。横向光电导开关也有其缺点，开关芯片的表面会暴露在整个电 场下，因为偏置电场贯穿开关整个表面，因而使的开关表面击穿场强( 约1 0k v c m ，封装 后可以达到3 5k v c m ) d 、于材料的本征击穿强度( 约2 5 0k v c m ) 。开关比较容易发生沿面放 电和表面闪络等现象引，此现象大大影响了光电导开关的功率容量和耐压能力。 纵向结构开关也有其优点，这类结构降低了开关接近表面的电场强度，因而提高开关 的击穿电压。但由于开关正负电极间隙受到其使用芯片厚度( 即芯片切片厚度) 的限制，它 2g a a s 光电导开关结构和导通机理 的耐压能力也受到了一定的限制，应用这种结构，可减低开关的表面效应( 如闪络现象、) 。 这种开关的缺点是开关需要一个透明的电极，这种电极经常用非常薄的金属层、金属栅、 或者外延生长带掺杂的半导体薄层来制作，因而这类透明电极的制作工艺相当复杂。另外， 开关芯片的吸收深度对光电导开关的瞬态特性有很大影响，必须用波长较长的触发光触发 才可穿透整个开关，达到均匀照射。 以上可见横向开关与纵向开关都有其优缺点，实验上具体选用那一类结构的开关，必 须根据开关的具体应用，即触发光源、耐压要求等来选定。但因为横向光电导开关制作较 为简单，而且有较大的光照面积与电导通道，所以可选用的触发光源的波长有较宽的范围， 因此制作大功率光电导开关下主要选择横向结构的开关。 2 2g a a s 光电导开关工作原理 光电导开关的结构图如图2 2 所示口，g a a s 材料的一端通过传输线和匹配的负载相 连接，另一端由一段充电传输线和脉冲电源或直流电源相连。光电导开关的工作过程为： 在非光照的条件下( 即暗态条件) ，由于g a a s 材料处于较高的电阻状态，因而输出端的暗 电流很小，g a a s 光电导开关大致处于阻断状态，示波器没有电脉冲输出，当触发激光照 射到开关正负电极间的g a a s 光导材料时，其触发激光脉冲的波长应该满足： h c ；l ，e g ( 2 1 ) 此式中e 。为g a a s 的禁带宽度、h 为普朗克常数、c 为真空中的光速。触发后g a a s 材料 体会在极短的时间里( 约1 0 1 5s ) 激发出大量的电子一空穴对( 其浓度可达t 0 2 0c m 弓) ，大量的 电子空穴对会迅速提高g a a s 材料的电导率，即就是g a a s 材料的电阻率迅速下降，此刻 开关的电阻率比上暗态的电阻率数值可达1 0 6 以上。g a a s 光电导开关的响应速度非常快， 因为光生载流子的产生时间和在电场作用下载流子渡越开关正负两极的时间很短，所以光 电导开关可瞬间完成由阻断状态导导通状态的转变，此转换过程大约可在r l s 或者亚n s 量