【摘要】：砷化鎵(Gallium arsenide,GaAs)光電導(dǎo)開關(guān)非線性工作模式的發(fā)現(xiàn),使所需的觸發(fā)光能量比線性工作模式低3到5個(gè)數(shù)量級,使激光二極管等小型光源替代大型激光器觸發(fā)光電導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生強(qiáng)電流成為可能。本論文使用單個(gè)脈沖激光二極管作為光源觸發(fā)GaAs光電導(dǎo)開關(guān),研究了偏置電場、儲能電容、觸發(fā)光斑位置和開關(guān)溫度對開關(guān)輸出脈沖的影響;同時(shí)開發(fā)了蒙特卡羅模擬軟件,研究了開關(guān)非線性工作模式下絲狀電流、鎖定效應(yīng)、倍增效應(yīng)、存在光電閾值等特性的形成機(jī)理。具體完成了以下工作:(1)研究了弱光觸發(fā)下偏置電場和儲能電容對GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的影響。在激光二極管單脈沖能量為1.6μJ的情況下,逐步增加偏置電場至24 kV/cm,在光電導(dǎo)開關(guān)由線性模式逐步過渡到非線性模式的過程中,分析對比了超快光電導(dǎo)過程對應(yīng)的倍增效應(yīng)�？疾炝藘δ茈娙輰敵鲭娒}沖寬度的影響,結(jié)果表明電容越小脈寬越窄。特別是,當(dāng)儲能電容為10 pF時(shí),獲得了納秒級輸出電脈沖,該現(xiàn)象與電容器中電荷的快速耗盡有關(guān)。(2)研究了弱光觸發(fā)下觸發(fā)光斑方向、位置及開關(guān)溫度對光電導(dǎo)開關(guān)進(jìn)入非線性模式電場閾值的影響。當(dāng)光斑平行電極觸發(fā)時(shí),光斑中心到陰極距離等間隔從0.2 mm到2.8mm時(shí),電場閾值按線性規(guī)律由15 k V/cm增加到22 kV/cm;當(dāng)光斑垂直電極時(shí),隨著光斑中心到陰極距離等間隔從0.0 mm增加到2.2 mm,電場閾值先由27 kV/cm左右減少到16 kV/cm,然后再升高到27 kV/cm,呈現(xiàn)出類拋物線型規(guī)律。其中,觸發(fā)光斑貫穿陰陽電極時(shí)電場閾值最小。激光二極管單脈沖能量為1.6μJ時(shí),考察了溫度對開關(guān)電場閾值的影響。光斑垂直于電極時(shí),隨著溫度從-12°C增加到24°C,電場閾值線性減小;對于同樣的溫度變化范圍,在光斑平行于電極的情況下,電場閾值與溫度之間不再滿足線性關(guān)系。開關(guān)內(nèi)部的Franz-Keldysh效應(yīng)和熱效應(yīng)能夠解釋溫度對電場閾值的影響。(3)基于已有光激發(fā)電荷疇理論,結(jié)合蒙特卡羅方法開發(fā)了針對GaAs光電導(dǎo)開關(guān)非線性工作模式的仿真軟件。在具體的仿真設(shè)計(jì)中,充分考慮了光激發(fā)電荷疇理論的兩種核心機(jī)制,對碰撞電離和載流子輻射復(fù)合再吸收進(jìn)行了建模。其中,碰撞電離是載流子倍增的基礎(chǔ),載流子輻射復(fù)合再吸收是電荷疇形成和快速傳播根本原因。通過對電子碰撞電離和空穴碰撞電離兩種機(jī)制的考察,給出了GaAs材料的負(fù)微分特性、電子在各能谷的布居率及速場關(guān)系,考察了GaAs光電導(dǎo)開關(guān)線性和非線性工作模式中的主要機(jī)制。(4)結(jié)合對光激發(fā)電荷疇形成、輸運(yùn)過程的模擬,研究了弱光(微焦量級)觸發(fā)下GaAs光電導(dǎo)開關(guān)進(jìn)入非線性工作模式的物理過程。結(jié)果表明,弱光觸發(fā)下Ga As光電導(dǎo)開關(guān)中光生載流子的聚束輸運(yùn)特性形成需具備兩個(gè)條件:(a)負(fù)微分電場,即偏置電場大于4.0 kV/cm;(b)能夠讓自建電場與偏置電場具有可比性的光生載流子濃度,大約為1.0×1013 cm-3,處于弱光光源觸發(fā)范圍。驗(yàn)證了GaAs光電導(dǎo)開關(guān)非線性工作模式的基本過程,包含電子稠密區(qū)域形成、電荷疇形成、絲狀電流形成、絲狀電流生長和絲狀電流吸收5個(gè)階段;絲狀電流傳播速度的模擬結(jié)果為2.0×108 cm/s,整體形態(tài)呈樹狀形式發(fā)展,與用紅外熒光拍攝的結(jié)果相符;解釋了開關(guān)輸出具有超快上升沿的原因是高濃度絲狀電流頭部被電極快速吸收的直接結(jié)果�；诳昭ㄅ鲎搽婋x和電子碰撞電離兩種機(jī)制,分析了載流子倍增效應(yīng)和鎖定效應(yīng)。通過對載流子濃度和偏置電場對光電導(dǎo)開關(guān)內(nèi)部輸運(yùn)特性的影響,給出了GaAs光電導(dǎo)開關(guān)非線性工作模式存在光電閾值的原因。
[Abstract]:The discovery of Gallium arsenide (GaAs) photoconductive switch (PCS) nonlinear mode of operation makes the required trigger light energy three to five orders of magnitude lower than the linear mode of operation, which makes it possible for small light sources such as laser diodes to replace large laser triggered photoconductive switches to generate strong current. The effects of bias electric field, energy storage capacitance, spot position and switching temperature on the output pulse of GaAs photoconductive switch triggered by light source are studied. The Monte Carlo simulation software is developed to study the formation mechanism of filamentary current, lock-in effect, multiplication effect and photoelectric threshold under switching nonlinear operation mode. The following work has been accomplished: (1) The influence of bias electric field and energy storage capacitance on GaAs photoconductive switch triggered by weak light is studied. The bias electric field is gradually increased to 24 kV/cm when the single pulse energy of laser diode is 1.6 uJ. The ultrafast light is analyzed and compared during the transition from linear mode to nonlinear mode of photoconductive switch. The results show that the smaller the capacitance is, the narrower the pulse width is. Especially, when the capacitance is 10 pF, the nanosecond output pulse is obtained, which is related to the rapid depletion of charge in the capacitor. (2) The direction of the trigger spot under weak light triggering is studied. The influence of switching temperature on the threshold value of electric field for a photoconductive switch entering a nonlinear mode is discussed. When the spot parallel electrode is triggered, the distance between the spot center and the cathode increases from 0.2 m m to 2.8 m m, the threshold value of electric field increases linearly from 15 kV/cm to 22 kV/cm; when the spot is perpendicular to the electrode, the distance between the spot center and the cathode increases from 0.0 m with the distance between the spot center and the cathode. The threshold value of electric field decreases from 27 kV/cm to 16 kV/cm, and then increases to 27 kV/cm. The threshold value of electric field is the smallest when the trigger spot penetrates the anode and cathode electrodes. The electric field threshold decreases linearly as the temperature increases from - 12 C to 24 C. For the same temperature range, the relationship between the electric field threshold and temperature no longer satisfies the linear relationship when the facula is parallel to the electrode. Based on the charge domain theory and Monte Carlo method, a simulation software for the nonlinear operation mode of GaAs photoconductive switch is developed. In the specific simulation design, two core mechanisms of photoexcited charge domain theory are fully considered, and collision ionization and recombination of carrier radiation are modeled. On the basis of the increase, the recombination and reabsorption of carrier radiation is the fundamental reason for the formation and rapid propagation of charge domains. The negative differential properties of GaAs materials, the population rate of electrons in various energy valleys and the relationship between velocity fields are given by investigating the mechanisms of electron collision ionization and hole collision ionization. The nonlinear and nonlinear working modes of GaAs photoconductive switches are investigated. (4) Combining with the simulation of photoexcited charge domain formation and transport process, the physical process of GaAs photoconductive switch entering the nonlinear mode of operation triggered by weak light is studied. The negative differential electric field, i.e. the bias electric field is greater than 4.0 kV/cm; (b) the photogenerated carrier concentration, about 1.0 *1013 cm-3, which is comparable to the self-built electric field and the bias electric field, is in the triggering range of the weak light source. The simulation result of filamentary current propagation velocity is 2.0 *108 cm/s, and the whole morphology develops in a dendritic form, which is consistent with the result of infrared fluorescence photography. Direct results. Carrier multiplication and locking effects are analyzed based on the two mechanisms of hole collision ionization and electron collision ionization.
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN36

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本文編號：2225660