發(fā)布時間：2018-05-01 21:57

  本文選題：Ga + As光導開關��； 參考：《中國科學院大學(中國科學院物理研究所)》2017年碩士論文

【摘要】：半導體光導開關(Photoconductive Semiconductor Switch,PCSS,簡稱光導開關)作為光電子器件的一種,因其具有外型小,重量輕,工作精度高,高速高頻,特別是高增益的非線性工作模式的特點,使其在武器點火、雷達通信、環(huán)境監(jiān)測等領域都有著重要應用,PCSS因此受到了廣泛關注。根據(jù)應用的特點,光導開關的性能可從兩個方面來深入挖掘,一個是在小功率方面的應用,開關的靈敏度和開關比還需進一步的提升;另外一個是在大功率場合的應用,開關的耐壓能力限制著開關的功率容量。而且,在實際應用中光電子器件的耐壓通常要比理論值小很多,因此提高器件的耐壓是PCSS研究中至關重要的一項工作,本文分別從理論和實驗上對大功率環(huán)境中光導開關的耐壓做了研究。在理論上,首先對光導開關的線性工作模式和非線性工作模式的工作原理和特點進行了介紹,并指出GaAs材料的禁帶寬度較大,電子遷移率、暗態(tài)電阻率和擊穿電場都很大,而載流子壽命較小,是良好的制作PCSS材料;其次介紹了開關的芯片主要結構,以及各主要結構層的作用,并從三方面對開關的熱效應進行研究,一是入射光脈沖引起的開關溫度升高,二是開關處于暗態(tài)時暗電流的歐姆效應引起的歐姆生熱,三是開關處于導通狀態(tài)時通態(tài)電流引起的歐姆生熱。最后,從熱擊穿和高壓擊穿兩方面分析開關的擊穿現(xiàn)象。在實驗上,針對入射光斑位置與開關輸出功率的關系進行了研究,得到當光斑位置垂直于電極入射時光能利用率較大,故開關輸出功率也較大。當光斑平行于電極入射時光能的利用率較小,故開關的輸出功率較小。同時,因為光斑位置垂直于電極入射時分布較均勻,所以比光斑平行于電極入射時開關的耐壓能力要強。并且,對電極形狀、電極間距、歐姆接觸、鈍化層以及散熱等影響光導開關耐壓的因素進行了研究。得出了,在相同的條件下具有共面圓角型電極的光導開關具有更小的暗電流,耐壓能力更好的結論;對于間距,電極間距越大光導開關的體電阻越大,耐壓性能更好,但是過大的體電阻會影響開關的靈敏度,在靈敏度符合要求的情況下電極間距為8mm的器件可以耐5.5kV的高壓;針對鈍化層,氮化硅的厚度越厚,器件耐壓性能更好,覆蓋770nm的氮化硅作為鈍化層的器件可以耐6kV的高壓;最后,外加散熱裝置可以提高器件的熱量耗散能力,使開關的暗電流降低了82%,開關的耐壓能力提高了20%。
[Abstract]:As one of the optoelectronic devices, Photoconductive Semiconductor Switch (PCSS) is one of the optoelectronic devices. It has the characteristics of small external type, light weight, high working precision, high speed and high frequency, especially high gain nonlinear working mode, which makes it important in the fields of weapon ignition, radar communication, environmental monitoring and so on. Application, PCSS has attracted wide attention. According to the characteristics of the application, the performance of the optical switch can be excavated in two aspects. One is the application of the small power, the sensitivity of the switch and the switch ratio need to be further improved; the other is the application of the high power, the voltage resistance of the switch limits the power capacity of the switch. Moreover, in practical applications, the pressure resistance of optoelectronic devices is usually much smaller than that of theoretical values. Therefore, improving the voltage resistance of the devices is a very important work in the PCSS research. This paper studies the pressure resistance of the optical switch in high power environment from theory and experiment. The principle and characteristics of the nonlinear working mode are introduced. It is pointed out that the width of the GaAs material is larger, the electron mobility, the dark state resistivity and the breakdown electric field are very large, and the carrier life is small, and it is a good PCSS material. Secondly, the main structure of the core of the switch and the function of the main structure layers are introduced, and the function of the main structure layer is also introduced. The three aspect is to study the thermal effect of the switch, one is the increase of the switching temperature caused by the incident light pulse, the two is Ohm heat caused by the ohm effect of the dark current in the dark state, and the three is the ohm heat caused by the pass state current when the switch is in the conduction state. Finally, the breakdown of the switch is analyzed from the two aspects of the thermal breakdown and the high pressure breakdown. In the experiment, the relationship between the position of the incident spot and the output power of the switch is studied. It is found that the output power of the switch is larger when the spot position is perpendicular to the electrode incident time, so the output power of the switch is small when the spot parallel to the electrode incident time, so the spot position is small. The distribution of the perpendicular to the electrode is more uniform, so the pressure resistance of the switch is stronger than the light spot. And the factors affecting the pressure resistance of the optical switch are studied on the shape of the electrode, the distance of the electrode, the contact of ohm, the passivation layer and the heat dissipation. With smaller dark current and better pressure resistance, the bigger the body resistance of the optical switch is and the better pressure resistance for the spacing, the larger the body resistance will affect the sensitivity of the switch. In the case of the sensitivity, the device with the electrode spacing of 8mm can withstand the high pressure of the 5.5kV; for passivation layer, nitriding The thickness of silicon is thicker, the device has better pressure resistance, the silicon nitride covering 770nm can withstand the high pressure of 6kV. Finally, the external heat dissipation device can improve the heat dissipation capacity of the device, reduce the dark current of the switch by 82%, and increase the voltage resistance of the switch to 20%.

【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN303;O614.371

【參考文獻】

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本文編號：1831189