半导体光导开关测试系统开发及其电学性质的研究

发布时间：2020-10-09 00:25

　　光导开关是一种利用半导体材料受到激光照射,产生光生载流子实现阻抗的急剧变换,从而使电路关断或导通的半导体开关。它具有光电分离、响应快速、高重频、高耐压、皮秒时间精度、寄生参数小以及结构紧凑等优点。为了研究测试光导开关样品的实际工作性能,本文从光导开关的电学性质入手,分析半导体光导开关工作环境的需求,搭建了一套光导开关测试平台,并对光导开关工作状态进行仿真模拟,研究测试光导开关的各项工作参数。另一方面通过解决实验平台搭建遇到的技术问题,对光导开关测试系统的性能做进一步优化。通过研究碳化硅和砷化镓两种光导开关材料的工作特性和工艺技术,学习了解主流光导开关设计方案,分析光导开关测试平台的功能需求和结构设计。选用了以半导体激光二极管作为触发器件,Blumlein传输线作为系统输出和光导开关的承载结构,详细论述实验平台电路组件的设计和解决问题的过程。半导体激光二极管替代传统YAG激光器作为触发器件,有着成本低、体积小的优势,其产生的激光脉冲足够使光导开关导通。它的驱动电路包含储能和控制两个部分,驱动控制功能采用金属氧化物半导体开关(MOSFET)实现。为了实现快速导通MOSFET来控制电容放电以及电路保护等功能,选取并分析了多种方案和元件,并通过仿真和实验对比做出了一定优化。分析研究Blumlein传输线实现倍压的工作原理,对光导开关的输出结构的寄生参数进行了模拟仿真,使用CST软件分析了不同材料衬底和不同尺寸对实验结果和输出效率的影响。综合寄生参数、衬底材料和结构尺寸对输出的影响,设计出了单层二倍压的微带Blumlein线,使用Altium Designer完成了传输线的实际制作。本文在完成电路系统和传输线结构的加工和装配工作后,对多个光导开关样品进行了触发实验,测试了平台实际工作性能,包括稳定性和可操作性等。根据实验过程中遇到的问题对平台结构进行进一步的优化。实验得到了光导开关样品在线性与非线性工作状态下较为稳定的输出波形,并在重频状态下记录了光导开关的工作性能和样品的外观。完成了光导开关测试平台的基本功能,并得到了较为可信的实验数据。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM564;TN304
【部分图文】：

开关速率,开关器件,功率

研究背景及意义技术是一种通过脉冲激光触发半导体实现导通的新于产生大功率的脉冲输出，能够作为高功率脉冲源的本质是将已经储满能量的电容器高速可控地释放可控聚变、高功率微波武器的兴起得到了快速发展使用的半导体材料在接收到光或其他辐射能量后会体材料的超快速阻抗转换，从而导通和断开所在电应、高重复频率、光电隔离、寄生参数小以及纳秒以用在多种领域，例如超宽带脉冲技术、太赫兹技。众多开关器件中有着明显的优势，相比于可控硅（应晶体管（MOSFET）、可关断半导体晶闸管（GT）等开关器件在开关速率和功率方面有着如图 1-1 所

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电子科技大学硕士学位论文 1994 年，电子科技大学阮成礼教授带领的实验团队就研发出了基关的皮秒量级超宽带脉冲源，用以研制新型超宽带雷达系统[16]。2 GaAs 与 InP 光导开关的导通特性，并得出这两种材料制得的光导皮秒量级的响应速度[17]。2008 年，对光导开关非线性工作机制进行了以畴电子崩为理论基础的流注物理模型[18]。安理工大学的施卫教授团队[19-23]研究对比了多种光导开关方案，出脉冲宽度为亚纳秒的光导开关，并以此针对多个领域进行了应用安光学精密机械研究所和西安电子科技大学以光导开关的激光驱导开关导通瞬时特性及物理机理为侧重点进行研究[24-33]。

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Blumlein线输出电压波形对比图

【参考文献】