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大功率高重复频率GaAs光电导开关的研究

作　者: 解光勇
导　师: 施卫
学　校: 西安理工大学
专　业: 物理电子学
关键词: 脉冲功率技术光电导开关大功率高重复频率半绝缘砷化镓
分类号: TN25
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

脉冲功率技术在科学实验、国防、生物医学以及环境保护等领域有着广泛的应用，而脉冲功率技术的发展要求作为脉冲功率系统关键元件之一的开关器件应具有耐压高、导通电流大、工作寿命长、击穿时延和分散性小的特性以及能重复频率工作等。本论文研究的中心任务是设计大功率高重复频率光电导开关，并进行实验测试其性能。本文综述了脉冲功率技术的特点和研究现状，分析了开关在脉冲功率系统中的重要作用，并对几种常用的脉冲功率开关作了细致的研究，认为光电导半导体开关是一种性能良好的开关器件。从工作特性来看，其非常适合应用于脉冲功率系统中的开关元件。对于光电导开关的大功率高重复频率特性的研究，国内外的报道很少。通过查阅国内外关于光电导开关的文献资料，系统地分析了光电导开关的结构特点和工作原理，对光电导开关的线性工作模式和非线性工作模式的理论模型作了总结。在理论分析的基础上，设计出了使用半绝缘GaAs材料作为芯片的光电导开关。对开关进行了线性模式和非线性工作模式的实验研究，实验结果显示：(1)开关具有较高的暗态耐压性能和高效的电压传输效率。开关的暗态维持电场强度为35kV／cm，电压传输效率高达93％。(2)线性模式下开关具有高重复频率工作性能。重复频率高达82MHz。(3)非线性工作模式下开关输出电脉冲的功率很高，但是开关工作的重复性能不太稳定。由于实验条件的限制，目前还无法进行半绝缘砷化镓光电导开关高光能下的高重复频率触发实验。目前，脉冲功率系统中应用较普遍的开关元件之一是气体间隙开关。气体间隙开关导通电流大，但是重复频率不高。通过对气体间隙放电特性分析，提出了加入气体放电间隙可以改善砷化镓光电导开关性能的设想，全新设计了一种组合型光电导开关。实验得到开关的输出脉冲功率达MW量级。纳秒激光触发开关1250次，所得的波形稳定性很好。结果表明，所研制的复合开关，具有良好的绝缘特性、功率传输特性、大电流输运特性和良好的高重复工作性能，可以用作大功率高重复频率开关元件。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
前言  9-11
1 绪论  11-23
  1.1 脉冲功率技术的发展及应用简介  11-14
  1.2 开关在脉冲功率系统中的作用  14-17
  1.3 大功率高重复频率开关研究的重要性  17-19
  1.4 光电导开关概述及国内外研究状况  19-21
  1.5 本论文的研究内容和方法  21-22
    1.5.1 本论文的研究内容  21
    1.5.2 研究方法  21-22
  1.6 本章小结  22-23
2 光电导开关工作特性分析  23-41
  2.1 光电导开关的基本结构和工作原理  23-31
    2.1.1 光电导开关的结构特点  23-25
    2.1.2 开关芯片材料  25-26
    2.1.3 传输线特点  26-28
    2.1.4 光电导开关的耐压能力  28-29
    2.1.5 开关工作电路  29-30
    2.1.6 触发光源选择  30-31
  2.2 光电导开关的工作模式  31-35
    2.2.1 线性工作模式  32
    2.2.2 非线性工作模式  32-33
    2.3.3 两种工作模式的比较  33-35
  2.3 光电导开关的理论模型  35-40
    2.3.1 线性工作模式的理论模型  35-37
    2.3.2 非线性工作模式的理论模型  37-40
  2.4 本章小结  40-41
3 半绝缘GaAs光电导开关工作特性的实验研究  41-68
  3.1 光电导开关的设计与制作  41-45
    3.1.1 光电导开关的材料选取  41-42
    3.1.2 光电导开关的制作工艺研究  42-45
  3.2 光电导开关的实验设计  45-47
    3.2.1 实验中触发光源的选取  45-46
    3.2.2 测试系统设计  46-47
  3.3 线性工作模式下光电导开关的性能研究  47-58
    3.3.1 提高开关输出脉冲功率的研究  48-52
    3.3.2 开关高重复频率工作特性的研究  52-57
    3.3.3 线性工作模式下开关性能研究小结  57-58
  3.4 非线性模式下光电导开关的性能研究  58-66
    3.4.1 非线性工作模式下开关输出电脉冲特性分析  59-65
    3.4.2 非线性模式下开关性能研究小结  65-66
  3.5 本章小结  66-68
4 大功率高重复频率组合型光电导开关的研究  68-80
  4.1 气体间隙开关工作特性的研究  68-74
    4.1.1 气体间隙开关的种类  68-69
    4.1.2 气体间隙开关的工作机理  69-70
    4.1.3 气体间隙的放电阶段  70-71
    4.1.4 开关放电时间延迟与分散性  71-72
    4.1.5 气体开关的电流特性和通道电阻  72-74
  4.2 组合开关设计与测试装置  74-75
  4.3 组合开关性能的理论分析  75
  4.4 实验测试及结果分析  75-79
  4.5 本章小结  79-80
5 结论  80-82
  5.1 课题研究结论  80-81
  5.2 进一步工作的设想  81-82
致谢  82-83
参考文献  83-86
附录  86
  1攻读硕士期间发表的文章  86
  2攻读硕士期间主持和参加的课题  86

大功率高重复频率GaAs光电导开关的研究

内容摘要

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