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GaAs光导开关的线性及非线性特性研究

作　者: 龚仁喜
导　师: 张义门
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: GaAs光导开关线性工作模式非线性工作模式理论模型工作机理实验研究
分类号: TN252
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

光导开关具有极其优良的特性，在高功率超宽带脉冲产生领域和超快电子学等众多领域中有着极其广阔的应用前景。GaAs光导开关与Si光导开关相比，具有响应速度快、转换效率高，耐高压的能力强，尤其是它除可以按常规的线性模式工作以外，还存在一种高增益的非线性工作模式，这种模式可使PCSS导通的光能比常规模式降低3～5个数量级，从而为PCSS的小型化，实用化，集成化提供了现实的可能性，因而倍受人们的关注。然而迄今为止，尚没有一种比较完善地表征GaAs光导开关线性模式的理论模型，对GaAs非线性模式的传导机制还不能作出合理的、全面的解释，严重妨碍了其应用潜力的挖掘。鉴于PCSS在国内外的研究现状，本文对光导开关的两种工作模式进行了较全面的理论和实验研究。在理论上，建立了比较全面地描述GaAs光导开关(PCSS)非线性工作模式的物理模型。并通过计算机模拟计算跟踪了光导开关非线性模式时域变化的全过程，捕获了器件内各重要电参量动态变化的物理图象，获得了与实验波形较吻合的模拟结果。迄今为止，尚没有这样的模拟结果报道。从理论上确立了深能级陷阱在非线性工作模式中的作用，并首次提出了深能级陷阱浓度阈值的概念，从定量的角度论证了光导开关的工作模式与深能级陷阱浓度的关系；定量地论证了光导开关的工作模式与偏置电压之间存在着密切的关系，非线性模式对偏置电压存在阈值要求；定量地论证了光导开关的工作模式与触发光能之间存在着密切的关系，非线性模式对触发光能也存在阈值要求；较好地解释了不同偏置电压和光能下呈现不同工作模式的主要原因和在实验中观察到的偏置电压(或偏置电场)阈值和触发光能阈值的物理本质；研究了偏置电压、触发光能及陷阱浓度三个阈值之间的关系，表明它们三者之间是反向相关的，即增大其中一个量的数值可使其它两个量的阈值降低；获得了不同偏置电压，不同光能和不同深能级陷阱浓度下，器件内电场和电流密度等重要电参量的空间分布关系和器件中最大电场的动态变化情况及与实验现象、响应规律相吻合的输出电脉冲随时间变化的关系波形，从而为解释非线性特性的工作机制提供了定量的依据，比较全面地阐述了光导开关非线性工作模式的物理机制。在理论上，提出了一种超快线性光导开关等效电路模型，并根据该模型，提出了表征线性光导开关性能参数的方法。研究了相关参数对开关输出电脉冲性能的影响；提出了表征线性光导开关的PSPICE模型，实现了用电路模拟软件PSPICE对含光导开关电路系统的仿真模拟；对线性光导开关的频率特性以及影响其频率特性的因素进行了研究。论证了利用线性光导开关产生THz辐射的可能性。光导开关最引人注目的是其超快的响应特性，它通常工作在钠秒甚至亚钠秒GaAs光导开关的线性及非线性特性研究到皮秒时域，输出的电磁能量是以微波的形式传导的。其工作系统的性能与器件材料、器件结构、器件的特性、电路的形式、电路的性能等有密切关系。只有在保证设计出的器件和电路的性能时，才能保证其应用系统的性能。为此，我们对器件和电路进行了精心的设计。本文详细地描述了器件和电路的设计、制造工艺过程。实验是揭示器件工作机制和深刻理解其工作过程的必要手段，为此对制作的各种结构的光导开关和电路进行了比较全面的(包括稳态、热击穿，耐压，线性工作模式瞬态，非线性工作模式瞬态)实验研究。本文详细地描述了这些实验的所进行的过程，实验装置、实验电路、实验原理、实验现象以及实验结果:并对实验现象及结果进行了理论分析。

全文目录

中文摘要  5-7
英文摘要  7-14
第一章绪论  14-24
  1.1 光导开关的研究与进展  14-22
    1.1.1 引言  14
    1.1.2 光导开关的发展历史  14-15
    1.1.3 研究现状  15-21
    1.1.4 研究的意义  21-22
  1.2 本文的主要工作  22-24
第二章光导开关的两种工作模式及其特性  24-33
  2.1 光导开关的基本工作原理  24-25
    2.1.1 PCSS的器件结构  24
    2.1.2 PCSS的基本工作原理  24-25
  2.2 PCSS的两种工作模式  25-29
    2.2.1 光导开关的线性工作模式及其特性  25-26
    2.2.2 光导开关的非线性工作模式及其特性  26-29
    2.2.3 线性工作模式和非线性工作模式特性的比较  29
  2.3 光导开关非线性工作模式的理论模型分析  29-32
  2.4 小结  32-33
第三章 GaAs光导开关材料及相关器件的特性研究  33-50
  3.1 GaAs的能带结构  33-34
  3.2 GaAs的高场效应  34-40
    3.2.1 负微分迁移率效应  34-37
    3.2.2 高场畴的形成过程及产生条件  37-39
    3.2.3 碰撞电离效应  39-40
  3.3 GaAs光导开关材料特性研究  40-47
    3.3.1 单能级的产生、复合和俘获动力学模型  40-42
    3.3.2 GaAs中的深能级杂质及常用的GaAs光导开关材料  42-43
    3.3.3 高阻深能级杂质半导体中陷阱控制畴的传播  43-44
    3.3.4 GaAs材料的光学特性  44-46
    3.3.5 GaAs材料的热学特性  46-47
  3.4 GaAs n~+-i-n~+器件特性与光导开关器件特性的比较  47-48
    3.4.1 GaAs n~+-i-n~+器件结构与光导开关器件结构的比较  47
    3.4.2 n~+-i-n~+结构器件的雪崩注入机制  47-48
    3.4.3 光导开关非线性特性的表观特性及与n~+-i-n~+结构器件工作过程的比较  48
  3.5 小结  48-50
第四章线性光导开关特性研究  50-79
  4.1 超快线性光导开关瞬态响应特性分析  50-60
    4.1.1 线性光导开关的电路结构  50-51
    4.1.2 线性光导开关的电路分析  51-53
    4.1.3 光脉冲作用后线性光导开关中载流子的分布  53-55
    4.1.4 光脉冲作用后线性光导开关电导和电阻的变化  55
    4.1.5 线性光导开关性能参数的表征及计算  55-57
    4.1.6 计算结果及分析  57-60
  4.2 超快线性光导开关的PSPICE器件模型  60-72
    4.2.1 光导开关的PSPICE器件模型  60-61
    4.2.2 用PSPICE模拟光导开关的瞬态响应  61-72
  4.3 超快线性光导开关的频谱特性分析  72-78
    4.3.1 超快线性光导开关的频谱特性表示  73
    4.3.2 光导开关特性参数对线性光导开关频率特性的影响  73-78
  4.4 小结  78-79
第五章 GaAs光导开关非线性特性研究  79-104
  5.1 物理模型  79-83
    5.1.1 光导开关工作电路  79-80
    5.1.2 光导开关器件模型  80-83
  5.2 模拟结果  83-100
    5.2.1 模拟所采用的主要参数  84
    5.2.2 光导开关的暗态电场分布  84
    5.2.3 光导开关非线性特性与偏置电压的关系  84-89
    5.2.4 光导开关非线性特性与触发光能的关系  89-93
    5.2.5 光导开关非线性特性与深能级陷阱浓度的关系  93-98
    5.2.6 光导开关非线性特性与偏置电压、触发光能和深能级陷阱浓度关系的综合分析  98-100
  5.3 工作机理分析  100-102
  5.4 小结  102
  5.5 本章的主要工作  102-104
第六章 GaAs光导开关器件及电路的设计和研制  104-123
  6.1 GaAs光导开关器件的研制  104-108
    6.1.1 用于制造光导开关的两种不同GaAs材料及主要参数  104-105
    6.1.2 光导开关的设计  105-107
    6.1.3 光导开关的制造工艺  107-108
  6.2 微波传输线电路的分析和计算  108-114
    6.2.1 微带线电路的分析和计算  109-112
    6.2.2 耦合微带线电路的分析和计算  112-114
  6.3 光导开关脉冲产生器电路的研制  114-120
    6.3.1 用普通微带型光导开关电路产生电脉冲的基本原理  114-116
    6.3.2 Blumlein微带型光导开关产生电脉冲的基本原理  116-118
    6.3.3 Blumlein耦合微带线型光导开关电路的设计  118-120
  6.4 光导开关与微带的连接  120-121
  6.5 光导开关器件的保护  121
  6.6 小结  121-123
第七章 GaAs光导开关的实验研究  123-141
  7.1 光导开关暗态伏安特性和热稳定性实验  123-126
    7.1.1 实验目的  123
    7.1.2 实验装置及电路  123-124
    7.1.3 暗态伏安特性的测试原理  124-125
    7.1.4 光导开关暗态热稳定性的测试原理  125
    7.1.5 实验结果及分析  125-126
  7.2 光导开关瞬态响应特性的实验研究  126-139
    7.2.1 实验目的  126
    7.2.2 实验装置及电路  126-128
    7.2.3 普通Auston型光导开关电路实验结果及分析  128-137
    7.2.4 高效型平行板光导开关电路实验结果及分析  137-139
  7.3 结论  139-141
第八章结论  141-144
致谢  144-145
参考文献  145-155
攻读博士学位期间参加的科研项目、完成的学术论文及获奖  155-156

GaAs光导开关的线性及非线性特性研究

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