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第七章半导体光导开关 西南科技大学2011 5 6 主要内容 光导开关的原理光导开关的应用制作开关的主要材料光导开关的各种结构开关的工作模式与机理 1 定义 光导开关 Photoconductivesemiconductorswitch PCSS 全称为光控光导半导体开关 OpticallyControlledPhotoconductivesemiconductorswitch PCSS 光导开关是一种利用激光能量激励半导体材料 使其电导率发生变化而产生电脉冲的光电转换器件 一 光导开关工作原理 2 光导开关的基本结构 光导开关工作原理 3 光导开关工作原理 在没有光照 称为暗态 的情况下 由于光导材料的电阻率很高 通过开关的电流 称为暗电流 很小 开关基本上处于阻断状态 而当激光照射到光导材料上的时候 会在极短的时间内在光导材料体内产生大量的电子空穴对 使PCSS的电阻率骤然下降 开关很快从阻断状态转换为导通状态 简称通态 这一转换过程可以在皮秒甚至亚皮秒量级的时间内完成 当光脉冲熄灭后 由于载流子的复合 PCSS将恢复到原阻断状态 这样在负载上就得到了一个电脉冲 改变光导材料的特性 如载流子的寿命 和激励光脉冲的波长 能量 脉宽等参量便可实现对输出电脉冲参量的有效控制 这就是PCSS的基本工作原理 4 特点 极快的响应速度 响应时间为Ps量级 极小的触发抖动 Ps量级 功率容量 MW量级 大 极好的同步精度 Ps量级 耐压能力高 几十KV量级 很小的器件体积 近乎完美的光电隔离和不受电磁干扰 二 光导开关的应用 1 光导开关的历史1972年Maryland大学的S Jayaraman和C H Lee等人在研究光电半导体时 首次观察到了用皮秒量级的光脉冲照射光电半导体样品时 其响应时间也为皮秒量级 1975年Bell实验室的Auston等人首次使用硅光电半导体研制出用作电压脉冲开关和取样门的PCSS 并发表了皮秒激光源产生千伏纳秒电脉冲的PCSS论文 1977年C H Lee等人首次研制出可在1GHz重复率下工作的GaAs CrPCSS 同时指出GaAs较si更适合用作PCSS材料1984年Nunnally等人利用GaAsPCSS产生了电压达100kv 电流达2kA 输出功率达80MW的超高功率电脉冲 至此 PCSS开始进入大功率应用时代 随后 用于PCSS的材料得到了进一步的挖掘 并先后研制出金刚石 SiC ZnSe等性能优良的PCSS 八十年代后期 G M Loubriel等人在研究GaAs和InPPCSS的光电特性时 发现非线性高增益工作模式 为PCSS的小型化 实用化 集成化提供了现实的可能性 2 光导开关的应用光导开关在军事上的应用PCSS可以成为反隐形冲击雷达的重要组成部分 还可用于制作探地雷达和树叶穿透雷达的脉冲发生器 抗干扰雷达微波炸弹 多种军械的低阻抗 高电流点火装置驱动器 此外光导开关在激光核聚变系统 高精度卫星定位和跟踪系统 导弹拦截系统 电子对抗及电子战系统中也有着重要的应用 2 PCSS在脉冲功率领域中的应用PCSS在脉冲功率领域中的应用是其主要的应用之一 它在脉冲功率领域的卓越表现 己受到人们广泛赞誉 曾有人这样褒之 迄今为止尚无任何一种技术能以几十皮秒的定时精度 几十皮秒的功率上升时间 几十兆赫的重复率 几十亿次的开关寿命 几十克的开关重量传递几十兆瓦的电脉冲 唯PCSS 3 PCSS在超快瞬态电子学领域中的应用PCSS在超快瞬态电子学中最主要的应用有 超高速电光采样 超快瞬态信号和无损伤检测 PCSS已逐渐被应用于超宽带通讯 医疗 工业加工 地下探测等领域 三 制作开关的主要材料 自PCSS问世以来 人们就一直在探求最适合各种用途的开关材料 并进行了大量的实验及研究工作 其中研究得最为广泛的是GaAs 其次是si 1 不同用途的开关对材料的要求对于一般用途的光导开关 响应速度 开关效率一般是最基本的考虑因素 对PCSS材料的基本要求是 较短的载流子寿命 较高的载流子迁移率 对于高压高功率应用的PCSS来说 耐高压能力和电压转换效率就将成为最主要的考虑因素 对材料相应的要求也成为 较大的禁带宽度 较大的击穿电场 较高的暗态电阻率 较大的热导率 较高的载流子迁移率等 用于制作高功率电磁脉冲源的半导体材料 应该满足以下条件 能带间隔比较大 暗电阻足够高 电子迁移率比较大 载流子寿命较小 对常见激励激光波长的吸收系数高等 考虑这些因素 通常用于制作光导开关的半导体材料有Si GaAs InP等 相比之下 Si具有最高的暗电阻率 但载流子寿命较长 通常用于产生10ns量级的高功率电脉冲 特别适用Si制作的体开关 可以产生很高功率的输出电脉冲 GaAs具有最高的迁移率 一般5000 6500cm2 V s左右 和较高的暗电阻率 载流子寿命在亚ns到ns量级 实验研究表明 对常见的激励光脉冲波长 GaAs材料制作的光导开关有更高的电压转换效率 InP具有最短的载流子寿命 但暗电阻率和迁移率较低 一般在800 2000cm2 V s左右 实验研究表明 其输出电脉冲的波形最稳定 通常用作较低功率 性能稳定的PCSS 2 光导开关各种机械结构 高功率体开关 高速低功率直缝开关 微带型光导开关又可分为共面型与异面型光导开关两种类型 1 共面开关所谓共面型光导开关 是指光导开关的两个电极加工在半导体材料的同一表面上 按电极的不同形状共面型光导开关又可以分为矩形 Rogowski和带圆弧形等几种类型 矩形共面电极光导开关的优点 是结构简单 易于加工 弱点是耐压能力较差 在较强偏置电场作用下 矩形边角处容易击穿空气 Rogowski电极外形为Rogowski曲线 它的优点是 减小了半导体 电极金属之间相互作用的电场幅度 极大地提高了PCSS的耐压能力 使中间电场向两边指数减小 其缺点是 光导开关的缝隙边缘处的电场下降比较明显 开关缝隙各处并不是匀强电场 加工困难 带圆弧形光导开关是将矩形电极的外直角边角用适当半径的圆弧以达到既克服边缘放电 又尽可能地保证匀强电场 并且加工起来比较方便 2 异面型光导开关异面型光导开关 是指光导开关的两个电极加工在半导体材料的不同表面上 在缝隙宽度相同的条件下 与共面型光导开关相比 异面型光导开关可以成倍地提高耐压能力 从而使光导开关的体积得以成倍缩小 为光导开关的集成化创造条件 异面光导开关 3 光导开关电极加工工艺由于光导开关是无结的半导体器件 要想使其具有良好的光电转换性能 光导开关的制作工艺相当关键 最主要的方面是光导开关的电极与光导材料之间必须形成良好的欧姆接触 使其接触电阻尽可能地小 两种不同的加工工艺 第一种为标准的欧姆接触 即在半导体材料上用标准的欧姆接触制作工艺来加工电极 然后将电极与半导体进行合金化 合金化以后又重新电镀了一层金 合金化的目的是使金属电极与半导体之间形成欧姆接触 电镀金层是为了便于光导开关与外电路之间的顺利焊接 此接触形式优点是容易加工 制作起来比较方便 缺点是当光导开关在大的电流密度情况下 出现丝状电流时 产生很大的能量 温度提高 容易损坏开关 第二种电极加工方式称为耐高温接触方法 它不但具有标准接触的优点 又大大降低了接触腐蚀 耐得住较高的温度 延长了光导开关的寿命 缺点是此种加工工艺中由于所用到Ti和Pt金属 加工起来比较困难 四 光导开关的物理机制 4 1半导体材料对光的吸收规律按Bohr频率定则 对确定的能级间隔 E 只有当激励光波的频率高于某一极限频率时 才会被半导体吸收 即hv E 4 2半导体中载流子运动规律描述4 2 1载流子的扩散运动如果用适当波长的光均匀照射这块材料的一面 并且假定在半导体表面薄层内 光大部分被吸收 那么在表面薄层内将产生非平衡载流子 而内部非平衡载流子却很少 即半导体表面非平衡载流子浓度比内部高 这必然会引起非平衡载流子自表面向内部扩散 考虑一维情况 即假定非平衡载流子浓度只随x变化 写成 那么在x方向 通常把单位时间通过单位面积 垂直于x轴 的粒子数称为扩散流密度 实验发现 扩散流密度与非平衡载流子浓度梯度成正比 若用Sp表示空穴扩散流密度 则有 4 2 2载流子的漂移运动一块本征半导体 两端加以电压 在半导体内部就形成电场 因为电子带负电 空穴带正电 在电场力的作用下 电子反电场方向漂移 空穴沿电场方向漂移 但是 形成的电流都是沿着电场方向 因而 半导体中的导电作用应该是电子导电和空穴导电的总和 总漂移电流密度应为 五 光导开关两种工作模式的物理机制 1 线性工作模式线性工作模式下PCSS的导通完全是由光生载流子决定的 光电导材料每吸收一个光子产生一个电子 空穴对 器件的电导率和输出电脉冲的幅度都与光脉冲的强度呈线性关系 当光脉冲熄灭后 PCSS将很快恢复到其原来的高阻暗态 输出电脉冲的上升时间主要取决于激励光脉冲的宽度 而下降时间则主要取决于载流子的寿命 2 线性工作模式物理机制PCSS线性工作模式的物理机制为 半导体材料在激励光脉冲作用下产生光生载流子 光生载流子在偏置电场作用下漂移 扩散与复合 停止光激励后 在载流子复合机制作用下 PCSS恢复阻断状态 在线性工作模式下 PCSS导通或阻断完全是由光生载流子浓度决定 器件的电导率 输出电脉冲幅度都与光脉冲波形成线性关系 下降沿时间则主要取决于载流子寿命 线性PCSS瞬态响应模型 光导开关电脉冲实验结果 光导开关电脉冲实验结果模拟曲线 PCSS产生的超短电脉冲波形参数取决于光生载流子的产生 漂移 扩散与复合 任意时刻半导体内的光生载流子满足连续性方程 通过求解连续性方程 可以得到开关的电阻 测试电路中的电流 输出电脉冲波形等指标 输出电脉冲特性参数及影响这些参数的因素主要有下列几个方面 电脉冲上升时间电脉冲高频分量及带宽 决定于其上升时间 而制约电脉冲上升时间也即开关速度的因素有激励光脉冲宽度 开关参量 指与开关相连的传输线和开关的带宽 介质驰豫时间 光照缝隙长度 缝隙的RC时间常数及光最终穿透光导开关的时间 在开关电路和传输线的带宽满足要求的情况下 光脉冲的宽度直接决定了光导开光输出电脉冲的上升时间 电脉冲的宽度 当电脉冲的上升时间基本由光脉冲特性决定时 电脉冲宽度由载流子的复合寿命 传输线中电荷的损耗及光脉冲宽度三个因素决定 因此 光导开光输出电脉冲的瞬时特性与激励光脉冲宽度 缝隙长度 载流子复合寿命及残留电容有关 3 PCSS线性工作模式的数学描述 3 1光生载流子浓度计算图为光导开关结构示意图 设沿y方向的入射光脉冲能量为I0 脉宽为T 光导开关缝隙长度为L 宽度为W 厚度de ds 光的吸收深度ds 1 a a为吸收系数 受光面的反射率为R 激光脉冲的时间分布为高斯型 则光能随厚度y和时间t的分布为 光生载流子的产生率为 其中 为光脉冲的半峰值宽度 为高斯均方差 3 2载流子满足的连续性方程电子和空穴的连续性方程表示为 根据光导开关高偏压的工作特点 对连续方程作些合理近似和假设 假设光导开关缝隙中的电场是均匀的 电场主要沿着x方向 E二Vin L 认为半导体与电极的接触 为纯欧姆接触 入射光均匀地普照在光导开关上 在同一深度载流子浓度近似相同 在以上假设和近似下 以上两公式变成 光导开关线性工作模式的特点可简单归纳如下 l 光导开关导通时的电阻与开关之间的缝隙长度成平方关系 当载流子寿命小于光脉冲宽度时 光导开关的导电率和输出的电脉冲与触发光脉冲强度基本上呈线性关系 2 由于半导体光导材料对光的响应速度极快 约为飞秒量级 几乎是在光作用到器件上的同时就在器件中产生载流子 所以有效电阻改变很快 开关响应速度极快 输出的电脉冲与触发的光脉冲之间基本上没有延迟 电脉冲的宽度也基本上与光脉冲的相同 3 线性光导开关工作较为稳定 抖动小 并且在高电压 高电流应用时常允许多个器件串联或并联使用 4 由于光导开关在线性模式下工作时没有增益 因此高功率应用条件下触发开关所需激励光的能量较大 一般为毫焦耳的量级 光电转换效率也较低 5 由于用作功率开关时所需的光能较大 因此光激励设备一般也比较大 不易实现应用系统一体化或集成化 限制了它在一般功率系统中的推广应用 4 非线性工作模式PCSS的导通并不是主要依赖于光生载流子 而是依赖于一个类似于载流子的雪崩倍增过程 光在此过程中仅仅起触发和引导的作用 一旦PCSS导通 即使光脉冲熄灭 开关也不会立即恢复到原高阻状态 只要能维持供给器件的能量 器件就能保持其导通 这时开关内的平均电场维持在某一个值上 该值与外电路所加的偏置电压无关 与触发光的能量也无关 但与材料本身的性质有密切的关系 并将这种现象称之为 锁定现象 这种工作模式就是所谓的 非线性模式 也称锁定工作模式和高增益开关模式 光导开关非线性工作模式概括起来具有以下主要特点 l 高倍增特性 光导开关在非线性工作模式下 触发光脉冲能量可以很小 通常比在线性模式下小3一5个数量级 但输出的电脉冲电流却可以很大 通常自由载流子浓度可以比光生载流子浓增上千倍 所拍摄的非线性光导开关的输出脉冲电流 2 锁定特性 工作于非线性模式的光导开关 如果外电路能够提供足够的能量 那么 即使在触发