PCSS——光电导开关

1、光电导开关的简介实验用光电导开关的结构光电导开关的技术指标实验结论脉冲功率元件的应用场合磁约束受控核聚变装置（托卡马克）惯性约束受控核聚变装置远程警戒雷达电磁炮粒子加速器Z箍缩装置激光炮脉冲功率开关元件低电压小功率（8KV 20MW以下）可用功率半导体元件如SCR、IGCT、IGBT、SITH等高电压大功率下的传统开关元件 新型半导体脉冲功率开关元件RSD、PCSS、SOS和DSRD引燃管氢闸流管触发真空开关PCSS的特点 耐高压通断功率大、开关速度快、 触发无晃动、 寄生电感电容小、 结构简单紧凑.开关速度 响应速度可达10-9S到10-12S耐压 GaAs基体本征击穿电压250KV/cm,

2、不加绝缘措施的情况下闪络电压10Kv/cm以上,在SF6 、绝缘油、去离子水绝缘下闪络电压可达26.6Kv/cm,30Kv/cm,145Kv/cm,但开关结构复杂难于制作和实际应用,在本次实验中采用的Si3N4-有机硅树脂绝缘体系,该体系下下闪络电压35Kv/cm.试验用PCSS结构 开关芯片选用的半绝缘 GaAs 材料的电阻率 5*107载流子浓度为1014/cm3量级 ,迁移率为 5000cm2/Vs,晶片厚度为0.6mm,电极尺寸为6mm 4mm,圆角半径为1.1mm, 所研制的开关电极间隙分别为 3、8mm等,用电子束蒸发工艺淀积厚度为800 nm的 Au/Ga/Ni合金电极 经退火处

3、理与 GaAs晶片形成欧姆接触-将这种 GaAs 晶片安装于与之匹配的平面传输线上, 形成具有最低电感的输出方式整个开关经微带过渡接头与同轴电缆相接-微带传输线用高导热性能的 Al2O3 ( 复铜板制作, 使开关具有良好的散热性能!开关的绝缘保护采用多层固态透明介质, 如图 所示, 第一层介质为Si3N4 绝缘薄膜, 与通常的钝化保护层相同； 第二层介质为新型有机硅凝胶, 它的绝缘强度大于280Kv/cm, 在3601200nm波长范围内的平均透过率约 95%, 对触发光的吸收几乎可以忽略.试验所用的触发激光源 本试验采用YAG （钇铝石榴石）Q开关 激光器触发3mm间隙的开关, 激光脉冲宽度

4、为15ns, 经KTP晶体倍频输出波长为 0.53m. YAG,钇铝石榴石,化学式Y3 Al5 O15,YAG激光,是指掺杂Nd+的YAG晶体棒受激辐射的1064nm波长的激光,YAG 激光 常采用 Q 开关 为泵浦源 脉冲工作 态可输出大磁脉冲10J,平衡功率10Kw以上的激光束,是目前最成熟的 固体激光器 .PCSS的暗态伏安特性和触发特性8mm间隙PCSS的 暗态伏安特性曲线 3mm间隙PCSS的线形电流波形 （8J 触发激光 ） 3mm间隙PCSS的Lock_On电流波形 （48J 触发激光 ） PCSS不同电压下的触发特性3mm间隙PCSS的 低压（11Kv）下的线形电流波形3mm间

5、隙PCSS在高压下的Lock_On电流波形PCSS的响应速度线性模式下的电流/时间曲线 Lock_On模式下的电流/时间曲线 由图可见,在线性模式下,PCSS响应速度较慢 ,约 为 5ns,而 Lock_On模式下PCSS响应速度极快 ,上升时间可小于 200ps,峰值电流560A,上升速率可达 2.81012A/s以上.PCSS的光电阙值效应 PCSS 器件进入Lock_On效应区的条件 不是孤立的 ,研究发现当 GaAs PCSS的偏置电场强度和入射光脉冲能量都大于触发阈值时, 开关被触发进入Lock_On模式区 触发光能、 电场阈值的范围为： 电场强度为 4-30Kv/cm, 对应的触发

6、光能：1.6mJ-2J.开关电流脉冲的上升时间与触发光脉冲宽度、 偏置电压有关. 电场强度和入射光能量有关.分别用光斑覆盖两电极的均匀射触发和用透镜聚焦加光阑实现点触发的实验表明, 在相同的偏置电场强度下, 光脉冲的点触发方式比均匀照射触发方式所要求的最低触发光能要小.PCSS的掣住效应 GaAs PCSS被触发而进入Lock_On状态时, 开关两端的电压(开关电场） 降至一个非零的恒定数值. 即使触发光脉冲撤去后, 开关也将连续保持低阻导通状态而不迅速恢复其电阻.维持阶段正是指Lock_On 电场的存在. GaAs PCSS从强电场下的光注入引发进入维持阶段, 入射光脉冲已消失, 开关还能维

7、持高电导通道意味着继载流子的光注入产生后, 又有新的载流子的产生和倍增机理存在, 形成维持阶段的高电导通道, 但开关电场强度却维持在恒定的数值 Lock_On 电场） , 这表明触发光脉冲消失后载流子的高倍增机理依赖于维持电场的存在.当外电路使开关两端的电场强度低于Lock_On电场强度时, 开关立即恢复其高阻状态, 恢复时间由GaAs PCSS中载流子的寿命决定.实验结论 本文用全固态绝缘技术研制了横向型高压GAaAs光电导开关, 并对其光电性能进行了测试, 结果表明, 开关的暗态维持电场强度达 35Kv/cm, 输出电流脉冲无晃动, 上升时间小于 200s, 达亚纳秒量级, 峰值电流为 560A, 电磁脉冲重复率为 108HZ量级测量了高倍增开关的光电阈值曲线, 其最小触发电场阈值大于或等于 4.1Kv/cm在强电场强度下的 Lock_On 效应的实验结果表明, 触发激光脉冲消失后仍存在载流子产生与倍增机理, 电流脉冲上升时间明显小于载流子以饱和速率在开关电极间的渡越时间, 相当于载流子以 108m/s的速度穿越 GaAs间隙, 比强电场强度下载流子的