基于ATK的一维分子链负微分电阻效应计算--《苏州大学学报(自然科学版)》2009年03期
基于ATK的一维分子链负微分电阻效应计算
【摘要】：利用应用第一性原理计算软件Atomistix ToolKit(ATK)计算了由一维线性分子链(CpFeCpV)n和镍电极组成的两电极体系的负微分电阻效应.该计算方法基于电子密度泛函和非平衡态格林函数理论.通过对于不同结构下的伏安特性曲线的计算,我们预测了该体系中的负微分电阻效应,并讨论了末端基团和吸附位置对负微分电阻效应开始电压的有效调控.
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【关键词】：
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【分类号】：TN495【正文快照】：
0引言自从1999年Chen J等人在实验上展示了分子器件中的良好负微分电阻(negative d ifferential resistance,NDR)效应[1],大量的实验和理论工作都在探讨分子器件中实现NDR效应的基本原理及调控手段[2,3].实验上要实现单分子器件的组装和测量有相当的难度,所以从第一性原理出
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分子器件负微分电阻效应和整流效应的理论研究
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3秒自动关闭窗口砷化镓光导开关的物理机理
】７ ５ ９‘６ ８分类号ＵＤＣ。＊１密级学位论文砷化镓光导开关的物理机理（题名和副题名）刘鸿（作者姓名）指导教师姓名阮成礼教授 虞都电壬科撞太堂 申请专业学位级别蠖±．专业名称（职务、职称、学位、单位名称及地址）玉线电物理论文提交日期２ＱＱ窆生！Ｑ目！鱼目论文答辩Ｅｔ期２Ｑ！Ｑ生主目２１旦．学位授予单位和日期电壬科技太堂答辩委员会主席董圭璺评阅人２０１０年６月１６日注ｌ：注明《国际十进分类法ＵＤＣ》的类号。、Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｉｎ ＧａＡｓ ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉＶｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｗｉｔｃｈｅｓ（ＰＣＳＳ）Ｍａｊ ｏｒ：Ａｄｖｉｓｏｒ： Ａｕｔｈｏｒ：Ｂ垒亟ｉＱ￡塾Ｙ墨ｉ￡曼 ￡！＝Ｑ￡Ｂ坠垒望￡塾壁塾ｇ：ＬｉＴ● ＴＴ．坠！坠丛Ｑ塾ｇｌ产?．ｔ：‘．ｆ ｌＩＩＩＩ Ｉ Ｉ ｌ ｌ ｌｌ ｌｌｌ ＩＩＩＩ Ｉ Ｕｌ，’ｌ Ｙ１ ７４０ １ ９５独创性声明：本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：力吖（）年莎月论文使用授权日本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：丝逮主堕日期：胁年夕月日一．Ｐ摘要ｒ；。≮一。摘要Ｉｒ．“毛∥謦｝、引》ｊ论文研究了砷化镓光导开关（ＰＣＳＳ）的物理机理，重点在于对高增益砷化镓光导开关的物理机制作了创新性和探索性研究。高增益砷化镓光导开关的物理机理 对器件的性能设计和工程应用具有重大的现实意义。论文工作注重理论分析与实ｉ：验研究的联系以及承前启后的作用。在分析高增益砷化镓ＰＣＳＳ中的Ｓ－形电流一电压（Ｉ．Ｖ）特征曲线、光致电离、高场畴和电流丝的关系、电流丝的特征、电流丝与 锁定（１０ｃｋ－ｏｎ）效应的联系、ｌｏｃｋ－ｏｎ电流的快速上升时间等实验结果的基础上，提出 了“畴电子崩（ＤＥＡ）”概念和“电离波（ｍＯ＂过程，奠定了高增益砷化镓光导开关的“流注模型＂的理论基础。畴电子崩和电离波过程描述了载流子的“局域高（电）场碰撞电离＂雪崩生长机制，解释了高增益砷化镓光导开关中流注形成和传播、以及“低场雪崩”现象。对高增益砷化镓光导开关的物理机理初步建立了一个完整、统一、自洽的理论框架。论文的主要内容为： １．应用半导体物理结合气体放电等理论系统研究高增益砷化镓光导开关的工作机理，提出了以畴电子崩为基础的流注模型。理论描述了多级流注形成和发展， 连通两个电极的电流丝放电，导致ｌｏｃｋ－ｏｎ效应发生。各级流注发展由三个过程组成：光致电离、与载流子注入相联系的畴电子崩（ＤＥＡ）和载流子碰撞电离雪崩生长 导致流注形成。光致电离包括激光照明和流注的复合辐射两种情形，提出了触发区域沿电场方向的长度阈值，揭示了流注的辐射效应、光致电离效应产生的局域平 均非平衡载流子密度的上限。提出了畴电子崩的必要条件和基本特征。描述了在 流注传播期间，器件的Ｓ形Ｉ．ｖ特征曲线的发展过程。揭示了流注的形成和发展的。一般规律。提出电流丝中的维持机制是电离波，分析揭示了第一个返回电离波使。：器件从空间电荷限制的电流转变为高密度载流子的双注入大电流，导致ｌｏｃｋ－ｏｎ效 应发生。应用这个模型合理解释了高增益砷化镓光导开关的实验结果。 ２．针对光导开关产生的线性电脉冲的实验结果，结合外电路，应用计算机对 光导开关进行了数值模拟。第一章回顾了光导开关的研究进展，阐明了高增益砷化镓光导开关的物理机｝；连鞋■ ｌ『制还没有一个完整、统一、自洽的理论模型；第二章分析总结了研究高增益砷化 镓光导开关的物理机理的理论基础；第三章研究了理想的本征砷化镓光导开关的物理机制；第四章研究了实际的高增益半绝缘砷化镓光导开关的物理机理；第五，：－√。盛魈蕊鼾Ｅ∥Ｍ粉”淞龇＂摘要ｆ章用这个理论模型进一步分析和解释了高增益半绝缘砷化镓光导开关的实验结果；第六章验证了线性光导开关的物理机制；第七章是对全文的总结和对未来研 究工作的展望。盏：关键词：砷化镓光导开关，物理机理，畴电子崩，电离波过程，流注模型Ｊ■ ｌ－●１ｌｌＡＢＳＴＲＡＣＴＡＢＳＴＲＡＣＴＩｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｉｎｇａｌｌｉｕｍａｒｓｅｎｉｄｅ（ＧａＡｓ）ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈａｓｓｗｉｔｃｈｅｓ（ＰＣＳＳ）ｈａｖｅｂｅｅｎ ｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｔｈｉｓ ｏｒｉｇｉｎａｌｇｉｖｅｎｅｍｐｈａｓｉｓｏｂｓｅｒｖｅｄｔｏ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｌｇｈ ｇａｉｎ ＧａＡｓ ＰＣＳＳ．Ｔｈｅ ｌｏｃｋ－ｏｎ ｅｆｆｅｃｔｉｎ ｈｉｇｈｐｏｗｅｒ，ｌｉｇｈｔ－ａｃｔｉｖａｔｅｄＧａＡｓ ｂｕｌｋ ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｉｓ ｖｅｒｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ＧａＡｓｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ＧａＡｓ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅ ＰＣＳＳ ｔｏｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｓｉｓ，ｍｕｃｈａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｓ ｐａｉｄ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎａｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ ｌｉｎｋｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｐｒｅｃｅｄｉｎｇａｎｄｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆ ｔｈｅ ｒｅｐｏｒｔｅｄ ｏｆ ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ：Ｓ―ｓｈａｐｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ－ｖｏｌｔａｇｅ（Ｉ―Ｖ）ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｇａｉｎ ＧａＡｓ ＰＣＳＳ，ｐｈｏｔｏｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｃｕｒｒｅｎｔｃｕｒｖｅｈｉｇｈ ａｎｄｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ ｄｏｍａｉｎｌｉｋｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｆｉｌａｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔｆｉｌａｍｅｎｔｓ，ａｎｄｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔｆｉｌａｍｅｎｔｓ ａｎｄｌｏｃｋ－ｏｎ，ｆａｓｔｃｕｒｒｅｎｔ ｒｉｓｅ ｔｉｍｅｓ，ｅｔｃ．，ｉｎ ｈｉｇｈｇａｉｎ ＧａＡｓ ＰＣＳＳ，ｔｈｅ“ｄｏｍａｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｒｅ 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ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｇａｉｎ ＧａＡｓ ＰＣＳＳ． ２．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅｈｉ曲ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙＰＣＳＳ，ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｉｎｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｂｙＣｈａｐｔｅｒ １，ａ ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ＰＣＳＳ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ａｎｄｎｏｓｈｏｗｓ廿ｌａｔｓａｔｉｓｆｙｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅｈｉ曲ｇａｉｎＧａＡｓ ＰＣＳＳ．ＩｎＣｈａｐｔｅｒ ２，ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｆｏｒ Ｃｈａｐｔｅｒ ３，ｔｈｅ ｉｄｅａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅ ｈｉｇｈ ｇａｉｎ ＧａＡｓ ＰＣＳＳ ｉｓ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ＧａＡｓ ＰＣＳＳａｒｅｅｌｕｃｉｄａｔｅｄ．Ｉｎ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｎｈｉ曲ｇａｉｎＣｈａｐｔｅｒ ４，ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｉｎｈｉ曲ｇａｉｎ ｓｅｍｉ―ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ（ｓＯｕｓｅｄｔｏＧａＡｓ ＰＣＳＳ ａｒｅ ｏｆｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｉｎ ｌｌｉ曲ｇａｉｎ ＳＩＣｈａｐｔｅｒ ５，ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ＧａＡｓａｎａｌｙｚｅｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓＰＣＳＳ，ａｎｄｔｈｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ．Ｉｎ Ｃｈａｐｔｅｒ ６，ａｒｅｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ＰＣＳＳ ｗｈｏｌｅ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｖａｌｉｄａｔｅｄ．Ｉｎ Ｃｈａｐｔｅｒ ｇｉｖｅｎ．７，ｔｈｅ ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆｔｈｅａｎｄｔｈｅ ｏｕｔｌｏｏｋ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｗｏｒｋｓ ａｒｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：ＧａＡｓｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓｗｉｔｃｈｅｓ＠ｃｓｓ），ｐｈｙｓｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ，ｄｏｍａｉｎｅｌｅｃｔｒｏｎａｖａｌａｎｃｈｅ（ＤＥＡ），ｉｏｎｉｚｉｎｇ ｗａｖｅ（ＩＷ）ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｓｔｒｅａｍｅｒ ｍｏｄｅｌＩＶ目录目录第一章绪论………………………………………………ｌ １．１光导开关的发展概况和研究历史及现状………………………．２ １．２砷化镓光导开关的结构和发展趋势…………………………．．３ １．３高增益砷化镓光导开关带来的挑战和机遇……………………．．４ １．３．１锁定（ＬｏＣＫ―ｏＮ）效应的基本特征……………………………４ １．３．２非线性光导开关中的电流丝……………………………．．７ １．３．３高密度载流子集体雪崩的实验依据………………………．１１ １．３．４电流丝中载流子密度及其红外辐射的测量…………………．１２ １．３．５早期理论机制模型……………………………………１３ １．３．６计算机模型和两个发展中的理论模型……………………．．１６ １．３．７报道的实验研究与理论研究小结…………………………１７ １．４本论文的选题和研究内容…………………………………１８ 第二章高增益光导开关的基础理论……………………………．２０ ２．１引言…………………………………………………２０ ２．２基本方程……………………………………………．．２０ ２．３砷化镓中的碰撞电离和高场畴理论…………………………．２２ ２．３．１概述………………………………………………２２ ２．３．２砷化镓中的雪崩击穿…………………………………．２４ ２．３．２．１砷化镓材料中本征碰撞电离需要的条件………………．．２４ ２．３．２．２砷化镓材料中高场畴的畴内碰撞电离…………………．２５ ２．３．２．３集体碰撞电离机制………………………………．．２６ ２．３．３半导体器件的电流一电压（１－Ｖ）特征（微分负电阻）……………．２６ ２．３．４漂移速度一电场（ｖ―Ｅ）特性和空间电荷层的初始生长…………．．２９ ２．３．５偶极畴动力学………………………………………．３２ ２．３．６偶极畴形成和猝灭的条件………………………………４１Ｖ目录２．３．７不均匀掺杂的影响……………………………………４８ ２．４气体的流注理论………………………………………．．４９２．４．１气体放电中的电子崩（ＥＬＥＣＴＲＯＮＡＶＡＬＡＮＣＨＥ）…………………．．４９２．４．２流注形成的条件……………………………………．．５ｌ ２．４．３流注理论的击穿过程…………………………………．５５ ２．４．４电子电流和正离子电流………………………………．．５８ ２．４．５光发射……………………………………………．６１ ２．４．６空间电荷的效应……………………………………．．６２ ２．４．７放电阶段…………………………………………．．６６ ２．４．８流注的速度与击穿的形成时间…………………………．．６７ ２．４．９线状放电与电离波……………………………………６８ ２．５本章小结……………………………………………．．７０ 第三章理想本征砷化镓光导开关的物理机制……………………．．７ｌ ３．１引言…………………………………………………７１ ３．２光致电离效应…………………………………………．７１ ３．２．１最优激光触发………………………………………．７ｌ ３．２．２流注的复合辐射效应…………………………………．７４ ３．３碰撞电离效应…………………………………………．７９ ３．３．１高增益砷化镓光导开关中的“低场雪崩＂…………………．７９ ３．３．２大量电子随外加电场的分布和碰撞电离……………………８０ ３．３．３集体碰撞电离理论……………………………………８２ ３．４高增益砷化镓光导开关的Ｓ一形负微分传导率（ＮＤＣ）………………８３ ３．４．１局域Ｓ一形ＮＤＣ的发展…………………………………８３ ３．４．２光导开关器件的Ｓ一形电流一电压（Ｉ－Ｖ）特征…………………８４ ３．５畴电子崩概念…………………………………………．８４ ３．５．１畴形结构、电流丝和锁定（ＬＯＣＫ－ＯＮ）现象的相互关系…………．．８４ ３．５．２畴电子崩（ＤＥＡ）………………………………………８５ ３．５．３畴电子崩（ＤＥＡ）的长度…………………………………８７ＶＩ目录３．５．４畴电子崩（ＤＥＡ）需要的条件……………………………．．８９ ３．５．５畴电子崩（ＤＥＡ）内的高场雪崩……………………………９０ ３．６流注模型……………………………………………．．９１．３．６．１流注形成…………………………………………．．９ｌ ３．６．２流注发展…………………………………………．．９３。３．７ＬＯＣＫ－ＯＮ效应…………………………………………．．９６３．８本章小结……………………………………………．．９６ 第四章半绝缘砷化镓光导开关的物理机理………………………．９８ ４．１引言…………………………………………………９８ ４．２流注模型的发展………………………………………．．９８ ４．２．１光子能量低于砷化镓的带隙能量的触发……………………９８ ４．２．２阴极注入与畴电子崩形成………………………………９９ ４．２．３半绝缘砷化镓光导开关中的初级流注……………………．ｉ０１ ４．２．４流注的维持机制初探…………………………………１０２ ４．２．５空间电流限制………………………………………１０４ ４．２．６流注的辐射效应……………………………………．１０５ ４．２．７流注传播…………………………………………．１０８ ４．２．８电离波与锁定（ＬＯＣＫ―ＯＮ）效应……………………………１０９ ４．３本章小结……………………………………………．１１２ 第五章实验结果解释………………………………………１１３ ５．１引言………………………………………………．．１１３ ５．２流注的弯曲与分枝……………………………………．．１１３?５．３不同照明位置和照明方式的触发特征………………………．１１５ ５．３．１不同照明位置的触发特征……………………………．．１１５ ５．３．２不同照明方式的触发特征……………………………．．１ １５ ５．４激光紧邻阳极照明的流注发展……………………………．１１６‘５．５激光照明点附近开始的初级流注…………………………．．１１８ＶＩＩ目录５．６本章小结……………………………………………．１１９ 第六章光导开关线性工作模式下的计算机模拟…………………．．１２０ ６．１引言………………………………………………．．１２０ ６．２实验结果……………………………………………．１２０ ６．３理论分析……………………………………………．１２１ ６．４模拟结果……………………………………………．１２２ ６．５本章小结……………………………………………．１２３ 第七章结论及未来工作展望…………………………………１２４ ７．１主要工作和创新点……………………………………．．１２４ ７．２未来工作展望…………………………………………１２５致谢…………………………………………………．１２６参考文献…………………………………………………１２７ 攻博期间取得的研究成果……………………………………．１４２ＶＩＩＩ第一章绪论第一章绪论光导开关（ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｗｉｔｃｈｅｓ，简称ＰＣＳＳ）是在微电子技术，激光技术和微波技术的基础上发展起来的一种新型半导体光电器件，已经广泛应用于产生高功率超快电脉冲。ＰＣＳＳ技术是高功率超宽带脉冲产生和应用发展 历史上的一次革命性的突破，ＰＣＳＳ较之常规的脉冲产生器件具有独特的优势。 ＰＣＳＳ有两种工作模式：线性工作模式和非线性（高增益）－Ｉ－作模式。线性ＰＣＳＳ的 特点是：响应速度快（电流上升时间为ＰＳ量级），几乎无触发抖动，功率容量大（ＭＷ 量级），同步精度高（ＰＳ量级），耐压能力强（几十ＫＶ量级），光电隔离好，不受电 磁干扰，器件结构紧凑，易组成陈列等；弱点是线性ＰＣＳＳ的输出功率受到激励光 源输出功率的限制，需要的触发光的能量大，因此导致激励ＰＣＳＳ的设备过于庞大， 限制了光导开关的应用。非线性ＰＣＳＳ除了几乎保留了线性光导开关的全部优点 外，最大特点是需要的触发光的能量通常比线性模式小４．５个数量级，可以用激光 二极管阵列激励ＰＣＳＳ，从而为ＰＣＳＳ的小型化，经济实用化，集成化提供了现实 的可能性。高增益ＰＣＳＳ有一个小的触发抖动（亚纳秒量级），响应速度（电流上升时间）可以达到亚纳秒量级。ＰＣＳＳ一直受到了人们的广泛重视和研究，在许多领域有极为广阔的应用前景或已经得到了广泛的应用：如高压高功率超短电脉冲及超高 功率微波产生领域，高功率超宽带脉冲产生领域，高速诊断和检测，信号处理， 高功率激光源，太赫兹（ＴＨｚ）源，超快电子学，雷达和通信等【ｌｄ７‘。光导开关的线性模式的工作机理已经基本清楚，但非线性模式的工作机理却 十分复杂，报道的理论只能解释实验所观察到的部分现象。通过对报道的实验结 果和报道的理论模型及其发展趋势的分析，能够得到以下结论：高增益ＧａＡｓ光导 开关的物理机理必须考虑光致电离、畴形结构、流注、快速电流上升时间和锁定 （１０ｃｋ－ｏｎ）等基本现象及相互联系。国际国内在１ ９９６年提出的两个描述物理过程的 理论模型（集体碰撞电离理论和光激发电荷畴）【１８乏７１，存在比较明显的局限，研究电 流丝形成的集体碰撞电离理论在２００７年认为应该考虑耿效应【２３１，光激发电荷畴模 型在２００９年开始考虑用气体放电理论解释电流丝现象【２７】。 本章简要介绍ＰＣＳＳ的发展概况和研究现状以及存在的关键问题，揭示面临的 机遇和挑战，最后介绍本论文的总体结构和拟展开的工作。电子科技大学博士学位论文１．１光导开关的发展概况和研究历史及现状１９７５年Ｂｅｌｌ实验室的Ａｕｓｔｏｎ首次使用硅光电半导体材料研制出了第一个光导 开关【２引。１９７７年Ｌｅｅ首次研制出用Ｃｒ参杂的半绝缘（ＳＩ）ＯａＡｓ材料制成的光导开关， 可在１ＧＨｚ重复频率下工作。指出由于ＧａＡｓ的载流子寿命较Ｓｉ短得多，而迁移率 和暗电阻率较Ｓｉ大得多，从而用ＯａＡｓ￥！Ｊ成的开关速度更快，效率更高，耐高压能力更强，因此ＧａＡｓ更适合用作ＰＣＳＳ材料【２９】。１９８２年，Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ等人总结描述了ＧａＡｓ光导开关存在两种工作模式（线性模式和增益模式）【３０】。１９８４年，Ｎ１ｌｎｎａｌｌｙ等人 利用ＧａＡｓ ＰＣＳＳ产生了电压达１００ＫＶ，电流达２ＫＡ，输出功率达８０ＭＷ的超高功 率电脉冲【３１１。从此，关导开关进入大功率应用领域，ＧａＡｓ成为最受关注的ＰＣＳＳ 材料。随后，制作ＰＣＳＳ的材料先后进一步拓展到ｈｌＰ、金刚石、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ等。１９８７ 年Ｌｏｕｂｆｉｅｌ和Ｚｕｔａｖｅｍ等人发现了砷化镓光导开关高增益工作模式的锁定（１０ｃｋ－ｏｎ）现象【３２．３３】，特征是当触发激光消失后，只要光导开关的偏置电场不小于～个阈值 和光导开关没有被损坏，光导开关就能够一直处于高导电状态。从此，ｌｏｃｋ－ｏｎ的 物理机制成为该领域讨论的热点问题。１９９０年，Ｍａｚｚｏｌａ／等人测量到高增益砷化镓光导开关两端的Ｓ一形电流．电压（Ｉ－Ⅵ特征曲线【３４】，同时ｌｏｃｋ－ｏｎ被描述为一个新效应 【３’５】。１９９０．１９９１年，Ｄｏｎａｌｄｓｏｎ等人报道了非线性ＧａＡｓ ＰＣＳＳ中电场随时间的变化 关系，观察到光导开关中的低场电流通道【３５．３７１，即流注。同一时期，光导开关技术发展到用激光二极管阵列触发高增益光导开关【３８－４０１。１９９１年，、第一次报道了高增益砷化镓光导开关中的电流丝的红外摄像，显示了ｌｏｃｋ－ｏｎ出现总是相应于光导 开关间隙中跨过绝缘区的电流丝（流注）连通了两个电极，同时电流丝辐射大量带隙能量的光子【４Ｈ２１。１９９２年，报道了在高增益砷化镓光导开关中的电流丝特征，观 察到光导开关的增益（转移到负载的能量与触发激光能量的比值）相当于一个触发 光子产生了１０４．１０５对电子．空穴，因此非线性光导开关需要的触发激光能量较线性 光导开关少得多，这个增益机制成为理解光导开关的一个关键问题【４３ｊ。１９９２．１９９３年报道了在光导开关中观察到电流丝“短路＂了局域畴形结构畔－ａ６１，即电流丝大致沿电场方向穿过了高场畴。１９９４年，实验研究进一步观察到流注的发展状况，测量了流注的传播速度【４７４９】。１９９６年实验验证了在高增益光导开关中相对较低的电场（Ｅ＞－１００ｋＷｃｍ）雪崩导致流注形成（在两个电极之间，将激光聚焦在一条窄带上触发高增益光导开关），相应地提出了“集体碰撞电离理论”【１９】。１９９７．１９９８年， 实验测量电流丝内载流子密度大约为２×１０１７ｃＩＩｌ‘３～６×１０１８ｃｍ．３［５０－５２】。２００１年，实验测量到电流丝在１．５ｎｓ的最大轴向辐射能量为７５ｒｄ，电流丝半导体激光能量比通２第一章绪论常的半导体激光能量大约强１０倍，轴向的受激发射比偏离轴向的自发发射大约强 １０００倍【５３】。 光导开关的两种工作模式呈现出不同的特性，光导开关的线性模式的工作机 理已为人们所理解，非线性模式的工作机理至今难以为人们所理解。１９８７―１９９５年， 提出了多个解释高增益砷化镓光导开关物理机理的理论模型，揭示了光 导开关非线性工作模式的不同方面的重要机制，能解释光导开关不同侧面或 不同阶段的实验现象或特征，然而到１ ９９６年后几乎没有进一步的发展报道， 例如：耿效应【３，３２，５４１和耿不稳定性【５５】，深能级杂质碰撞电离【５４，５６－５７】，双注入和载流 子陷阱‘５８－５９１，雪崩注入【６０－６１】，亚稳态碰撞电离【６２】，局域碰撞电离【６３斟】，流注模型【６５柳，热电离模型【删，等等。１９９６年，“集体碰撞电离理论’’１１８－２３】解释了高增益光导开关在相对较低的电场中，载流子雪崩能够导致流注形成等物理现象，但不能解释电流丝的维持状裂２０，２３】；２００７年该模型指出应该考虑耿效应【２３】。同时存在的其它计算机模型【１１ｄ２１促进了人们对ｌｏｃｋ－ｏｎ的物理机制的认识，但对物理过程的 理解是有限的。１９９６年，另外一个“光激发电荷畴＂模型主要考虑了光致电离和 转移电子效应［２４－２６］；２００９年该模型开始考虑气体放电理论１２７］。 ２０多年来，高增益砷化镓光导开关的实验研究已经积累了丰富的资料，理论 研究揭示了一些不同方面的重要机制。但是，对于高增益光导开关的物理机 理，缺少一个完整、统一、自洽的理论。１．２砷化镓光导开关的结构和发展趋势光导开关的组成结构种类繁多，一般由不故意掺杂、半绝缘（ｓｏ、高电阻的砷 化镓晶片（或晶体）带着两个金属接触（电极）构成。金属与砷化镓之间通常设计为欧姆接触；接触金属的材料一般采用合金，例如Ｎｅ－Ｇｅ．Ａｕ－Ｎｉ．“４ ７】；在两个电极之间的高电阻砷化镓的绝缘区的最大长度一般为几个厘米，例如报道的最大间隙长度是３．４锄【５３】。光导开关的结构示意图见图１．１。砷化镓ＰＣＳＳ的发展趋势主要有以下几个方向。一是光导开关的基础研究，即 能够完全理解光导开关的高增益工作模式的物理机理。二是光导开关的应用研究， 要求研制满足不同需要的光导开关。例如在产生电脉冲方面：产生上升沿与脉冲 宽度极短的电脉冲，产生性能特别稳定的超宽带电脉冲，产生输出峰值与输入电 压比尽可能高的超宽带电脉冲，产生高峰值功率的电脉冲，产生宽度在亚１１ｓ量级、 而输出峰值功率大于ＭＷ量级的电脉冲，等等。另一方面，除了通常的光整流产３电子科技大学博士学位论文生太赫兹（ＴＨｚ）外，正在开发利用高增益光导开关的电流丝等离子体产生太赫兹 （ＴＨｚ）技术。三是光导开关产生的电脉冲的传输研究。囫吻陶 渤劂劂１．共面型光导开关 ２．体光导开关Ｓ鞭俐卜―――――一，铺―――――――叫３．实验使用的ＰＣＳＳ的结构【３，傅删图１．１光导开关的结构示意图１．３高增益６ａＡｓ光导开关带来的挑战和机遇高增益砷化镓光导开关中的锁定（１０ｃｋ―ｏｎ）现象（如图１．２所示）是二十多年来的热点研究课题之一。高增益光导开关的物Ｌ理机制的实验研究已经获得丰富的结果； 理论研究揭示了光导开关非线性工作 模式的许多不同方面的重要机制。但ｋ』’ｒ～．＼。、一－ｏ！‘”…。是没有一个理论能够系统合理地解释高增益光导开关的全部实验结果。下面较 系统地分析总结了典型的实验结果和主 要的理论模型，以便从中获取有用的信息 资料、有效的方法和合理的思想，将它们Ｉ…●￡．．｝图１－２实验观察的ｌｏｃｋ－ｏｎ效应。联合起来纳入一个统一的模型。同时揭示了面临的机遇和挑战。１．３．１锁定（Ｉｏｃｋ－ｏｎ）效应的基本特征实验总结了高增益砷化镓光导开关的ｌｏｃｋ－ｏｎ效应的基本特征。ｌｏｃｋ．ｏｎ电压不 依赖初始偏置电压或光导开关的长度，图１．３显示了对于同一个光导开关，虽然四个初始偏置电压是不同的，但ｌｏｃｋ．ｏｎ电压是基本相同的【３，４０，５４，７＂３１。ｌｏｃｋ－ｏｎ电场依赖ＧａＡｓ材料的性质和温度等因素，补偿深能级陷阱常常使用不同类型的材料４第一章绪论【７３１。ｌｏｃｋ．ｏｎ电流由外电路和ｌｏｃｋ－ｏｎ电 场决定【７３】。能够用较少的触发光能量，图１叫ａ）表明随着光导开关的两端电压的增大，触发激光能量可以减少到几个 ｌｄ［４１，７０，７３】。ｌｏｃｋ．ｏｎ电流的上升时间和延 迟时间是开关电场的函数【７３‘７４１，图１－４（ｂ） 显示了ｌｏｃｋ－ｏｎ电流的上升时间随着光 导开关的两端电压的增大，可以减小到 亚纳秒范围【４ｌ’７０］，例如在间隙１．５ｃｍ长 的ＧａＡｓ ＰＣＳＳ上测得的最小上升时间是 ６００ｐｓ，图１．５表明１０ｃｋ．ｏｎ现象 的延迟时间随着光导开关的两 端电压的增大，可以减小到纳秒 范围【４Ｌ ７０，７４］，例如在间隙１．５ｃｍ 长的ＧａＡｓ ＰＣＳＳ上测得的最小 延迟是３ Ｉｌｓ。ｌｏｃｋ―ｏｎ效应能够在 ＩｎＰ材料中观察到，但没有在Ｓｉ 材料中观察到【７３】。光导开关的两 端的电流．电压曲线呈现出Ｓ．形 特征，如图１－６所示【３４１。ｌｏｃｋ－ｏｎ 现象出现时，光导开关中的电流 丝辐射红外线（ＧａＡｓ的带隙能 量，辐射的光子的波长中心大约 在８７５ ｎｍ）ｔ４１砣?７３１，图１．７显示 了电流丝的红外线摄像【４１１，揭示 了在ｌｏｃｋ．ｏｎ现象发生时，光导 开关中一定存在电流丝【４１ｍ，７３１， 因此电流丝放电导致ｌｏｃｋ．ｏｎ效 应【３５’４１４２，４６，７３１。图１４最小触发光能量（上图）和电流上升时间（下图）是ＧａＡｓ ＰＣＳＳ（Ｉ＇ｎ－］隙１．５ｃｍ长）两端的电压的函数。 这些测量值接近于产生ｌｏｃｋ－ｏｎ的光能量阈值。均匀ＴＩＭＥ（ｎ ｓ） 图１．３在不同的初始偏置电压下ＧａＡｓ ＰＣＳＳ（间隙２ｍｍ长）两端的电压波形。 Ｌｏｃｋ．ｏｎ电压基本相ＮＥ３，４０，５４，７０－７２］。照明时光能量增加，则上升时间越短。５电子科技大学博士学位论文非线性光导开关 的电场特征：图１．８揭 示了ＰＣＳＳ的平均电场 高于ｌｏｃｋ－ｏｎ电场时，在 触发激光脉冲的半最大 全宽照明期间，开关电 场迅速地均匀坍塌，在 几百皮秒（ｐｓ）后迅速恢 复，随后恢复变慢；在 峰值照明后大约一个纳 秒（ｎｓ），开关电场再次坍 塌，电场的第二次下降 呈现了一个起伏波动的开关两端的电压仪Ⅵ 图１．５延迟时间是ＧａＡｓ ＰＣＳＳ（间隙１．５ｃｍ长）两端的电压的 函数。延迟随偏置在ＰＣＳＳ上的电场增加而减小。冒图 娥、＿，餐吕咕邑坎 潺图１．７ ＧａＡｓ ＰＣＳＳ中多枝电流丝的红外摄像【４１１。啊％ｌ＾晕譬ＨＩ图Ｉ－６实验得到的高增益砷化镓光导开关 两端的Ｉ－Ｖ特征【３４】。复杂趋势，直到ｌｏｃｋ―ｏｎ电场发生１３ｓ－３７］。 图１．８也指出了ＧａＡｓ ＰＣＳＳ在ｌｏｃｋ－ｏｎ 的产生过程中具有Ｓ形电流．电压（Ｉ－Ｖ）特 征，即电流控制的负微分电阻特征。图 Ｉ－９显示了ＧａＡｓ ＰＣＳＳ中电场随时间的６＿Ｔ咖●【ｍ）图Ｉ－８ ＰＣＳＳ的平均电场高于ｌｏｃｋ－ｏｎ场第一章绪论变化关系：白色区域表示高电场区域，黑色区域表示低电场区域【３”７１。Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｃｏｌｌａｐｓｅ Ａｓ，ｒｍｍｅｔｒｉｃ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ爵■静鞋ｉｐ、ｊ?，，ｏ；ｋ净ｋ０．８ｎｓ一１．６ｎＳ３．６ｎｓＴｉｍｅ ａｆｔｅｒ ｐｕｍｐ ｐｕｌｓｅ Ｂｌａｃｋ＜１６ ｋＶ／ｃｍ；ｗｈｉｔｅ＞１６ ｋＶ／ｃｍ图１－９光探针方法测量ＰＣＳＳ内部的电场随时间的变化关系【３”７】１．３．２非线性光导开关中的电流丝实验证明：ｌｏｃｋ－ｏｎ出现期间，ＧａＡｓ ＰＣＳＳ的间隙中总是存在（至少）一条或多 条电流丝（即流注）连接了两个电极【４¨。实验表明了ｌｏｃｋ－ｏｎ效应与ＰＣＳＳ中的电流 丝是密切联系在一起的，理解了ＧａＡｓ ＰＣＳＳ中流注的形成和传播，就能够理解。二，二咄ｏ＋一ｎ０二二。ｏ＋ ｏ二二ｏ＋一。二二。ｋ９＋ ｏ¨二二９＋一Ｑ ０十ｍ埘。一Ｊ删９斗图１．１０触发激光聚焦在带，照明ＧａＡｓ图１．１ｌ触发激光聚焦在点，照明ＰＣＳＳ（间隙１．５ｃｍ长），脉冲偏 置电压的峰值是４５ ｋｖ【４３?７５１。ＰＣＳＳ（间隙１．Ｓｃｍ长），脉冲偏 置电压的峰值是４５ ｌ（Ｖ【４３，７５】。ＧａＡｓ７电子科技大学博士学位论文ｌｏｃｋ－ｏｎ效应的物理起源。 实验研究把触发ＧａＡｓ ＰＣＳＳ的均匀照明方法发展到将触发激光聚焦在带（或 者说线）和点上照明ＰＣＳＳ的部分绝缘区（称为“部分照明＂）。图１．１０显示了将激 光聚焦在带触发光导开关的特征【４３，７５Ｊ：图中左边表示激光“线照明＂的位置，右 边表示相应产生的电流丝的位置和形状；当触发的激光带连通两个电极照明光导 开关时，电流丝在激光照明的“线位置”形成，因此这样设计可以控制电流丝的 位置；但当触发的激光带沿阴极照明时，多枝电流丝在不同位置随机形成，即不 能控制电流丝的位置。图１．１１显示了将激光聚焦在点照明光导开关的特征【４毛７５】： 图中左边表示激光“点照明’’的位置，右边表示相应产生的电流丝的位置和形状；当触发的激光点紧邻阴极照明时，需要较小的触发激光能量（例如Ｏ．５忉，电流丝一般从照明点开始形成，随后电流丝向阳极传播，传播路径具有随机性，可能形 成流注分枝；当触发的激光点在光导开关间隙的中心照明时，需要与均匀照明相 当或更大的照明激光能量（例如２５０心）。综上所述：在光导开关的适当位置的部分 触发可能需要的触发激光能量更小（在同样电场下，均匀照明时通常需要的触发激 光能量为２００－３００／ａＪ）；触发激光能量较大时，可能出现多枝流注；连接两个电极的 带激光触发可以大体控制电流丝的位置，在阴极的带触发可能引起多枝流注（图 １．１０）；最小的触发激光能量（Ｏ．５Ⅳ）是在阴极的点触发（图１．１１）；点触发时，需要 最小的触发激光能量与照明位置密切相关，紧邻阴极触发需要的触发激光能量最 小（０．５肛Ｊ），紧邻阳极触发需要的触发激光能量较大（２．３Ⅳ），照明位置距离两个电 极（接触）越远，需要的触发激光能量越大，在间隙中心照明时需要的触发激光能量图１．１２触发激光能量小于ｌＯ一时， 电流丝从照明点开始形成，脉冲偏置 电压的峰值是４５ ｋＶ。图１．１３触发激光能量大于或等于ｌＯ ｕ 时，电流丝一般在照明点的附近开始 形成，脉冲偏置电压的峰值是４５ｋＶ。８第一章绪论最大，至少与均匀照明时的触发激光能量相当（２５０Ⅳ）。紧邻阴极触发ＰＣＳＳ，触发 激光能量小于１０Ⅺ时，电流丝通常从照明点开始形成：触发激光能量大于或等于 ｌＯ心时，电流丝一般在照明点的附近开始形成［４３，７５１。图１．１２和１．１３显示了流注 形状是相当复杂的：存在多枝、分枝、合并、弯曲和枝干粗细不同等现象。实验 观察到电流丝的“直径刀范围大约为１５．３００ ｐｍ［４３’４７‘４９】。 畴形结构与电流丝：在ｌｏｃｋ．ｏｎ效应不发生（图１－１４）和发生以前（图１．１５），高图１．１４黑色区域表示局域的畴形结构，白色区域表示低电场区域（４５－４６Ｊ。阳极在左 面。图１．１５电流丝已经连通两个电极，但ｌｏｃｋ．Ｏｉｌ效应还没有发生【４５删。阳极在左面。 增益ＳＩ ＧａＡｓ ＰＣＳＳ的间隙中总是存在空间电荷引起的局域高电场区域，即畴形结 构［４５－４６３。由图可见：在大致垂直于电场的方向，畴形结构在大约垂直于初始电场 的方向上不规则地横跨了激光产生的活性区。图１．１４明确显示了电流丝连通两个 电极后，才能导致ｌｏｃｋ－ｏｎ效应；同时明确显示了电流丝使高场畴发生了“短路’’ 现象【４５－４６），换句话说，电流丝在沿着该点电场最大的方向穿过了高场畴，电流丝 连通了高场畴的积累层和耗尽层。图１．１６表明ｌｏｃｋ．ｏｎ效应发生后，畴形结构（即 空间电荷）基本消失或完全消失［４５－４６］。图１．１７显示了在ｌｏｃｋ．ｏｎ放电前后期间，光 导开关内部的电场变化情况ｍ】。９电子科技大学博士学位论文图１－１６依次分别为ｌｏｃｋ＿蚴效应发生后５０ ｎ８和１００ １１５的电流丝【４“研和畴形结构消失。豳黼阑鳓图１．１７ Ｌｏｃｋ－ｏｎ放电前后，光导开关内部的电场变化，（ａ）表示没有偏置电压；（ｂ） 偏置电压开始后，存在畴形结构；（ｃ）和（ｄ）表示没有畴形结构，ＰＣＳＳ处于ｌｏｃｋ－ｏｎ 状态；（ｅ）表示偏置电压结束，ｌｏｅｋ．．．ｏｎ放电以后的现象。电流丝的传播特征：进一步精湛的实验观察到：流注形成后的传播速度非常快，而且存在加速现象［４７－４９］。图１．１８描述的是在同一个间隙长度为１．５ ｃｉｎ的ＧａＡｓＰＣＳＳ上先后触发两条电流丝实验，相应于平均电场约为６６．７ ｋＶ／ｃｍ时，测得流注 在形成后的２００ｐｓ－４００ｐｓ内的平均速度为（２±１）ｘ１０７１０９ＣＩｌｌ／Ｓ［４７－４９１。这个速度值远远大于ＧａＡｓ中载流子的饱和漂移速度（￣１ Ｘｃｍ／ｓ）。同样的方法给出流注在跨过绝缘区时存在加速现象的实验观察，如图１．１９所示。在平均电场约为７０ ｋＶ／ｃｍ时， 测得的速度范围为Ｏ．７×１０９ ｃｍ／ｓ～（５．５±１）ｘ ｋＶ／ｃｍ时，测得的最高速度为（５．９±１）ｘ１０９ １０９ｃｍ／ｓ［４ｓ‘４９】；在平均电场约为７６．７ｃｍ／ｓ［４８钠】。实验观察显示：在间隙中心的点触发产生的电流丝，向两个电极传播时，传播速度小于在阴极开始的电流丝１０第一章绪论图１．１８上面左图显示了左边触发的电流丝刚刚跨过间隙（绝缘区）时，开始触发右边； 由于左边的流注连通了两个电极以致降低了开关电压，所以右边没有电流丝形成。 上面右图表示右边触发比上面左图中提前２００ ｐｓ，因此在左边触发的电流丝连通两 个电极时，右边一个小电流丝已经形成。下面左图表示右边触发比上面右图中提前２００ｐｓ，因此右边电流丝生长得更长。下面右图显示左右两边的电流丝是同样强的。 依据上面右图和下面左图中右边电流丝的长度差和触发延迟求出流注速度。．◆一４００ ｐｓ和３００图１一１９表示第二个电流丝（如图所示）的触发比触发第一个电流丝（没有显不）的延迟提 前１００ ｐｓ。左边第一个图表示触发延迟为６００ ｐｓ，后面３个图的触发延迟依次为５００ ｐｓ， ｐｓ。即相邻流注的长度差相应于１００ ｐｓ的时间。流注传播加速是明确的。的传播速度，如图１．２０所示［４Ｓ－４９］。完全跨过绝缘区的电流丝，比还没有完全跨过 绝缘区的电流丝更亮［４７４９１。ｌｏｃｋ．０１＂１的电流上升时间很短（－２００ ｐｓ），相应的电流上 升速度可以远远超过载流子通过开关间隙的饱和漂移速度【４７－４９］。把激光聚焦在点 紧邻阴极触发ＰＣＳＳ的实验支持载流子生长在流注顶部或在流注顶部前面【４７御】。１．３．３高密度载流子集体雪崩的实验依据电子科技大学博士学位论文消除大的电场变化或场致增强，设计把星品翟≥嚣麓霎装罱震鬈囊？磊嘉触发激光聚焦在一定宽度的带上，野‘ＰＡ－灶！－４－ ＰＣＳＳ的绝缘区，在两个电极之间均匀地 照明开关。这个实验结果显示：带聚焦的激光均匀照明触发开关，产生的电流丝于右边触发的延迟时间为６００ ｐｓｏＯｐｔｉｃａｌ Ｔｒｉｇｇｅｒｌ ｌ ｌ ｌＶＯｎｏ图１．２ｌ光触发ＰＣＳＳ示意图。为了使ＰＣＳＳ的间隙中的场致增强效应最小， 把触发激光带聚焦沿着电流流动方向均匀照明开关【１９ｌ。的光致发光沿着电流流动的方向是均匀的；没有在某个接触（电极）附近存在场致 增强导致电流丝生长的证据。由此建立了集体碰撞电离理论，至今处于发展状态【１８彩】。１．３．４电流丝中载流子密度及其红外辐射的测量１２第一章绪论电流丝中载流子密度：多次实验测试了电流丝中的载流子密度【姗】。随着方法和依据有所不同，实验结果有所不同。 总结起来实验测量电流丝内载流子密度 大约为２×１０１７ ｃｍ－３，６×１０埔ｃｍ－３［５０－５２】。至电流丝的红外辐射：在电流为（５．９５１熏 Ａ范围内，测量２．５ ｍｍ长的电流丝在（１．２） ｉｌｓ脉冲宽度的带隙辐射一般在（５．３０）ｎＪ 的范围，相应功率峰值为（２．３０）Ｗ，如图 １．２２和１．２３所示【５３】。测量电流丝的最大 轴向辐射在１．５ ｎｓ内为７５ ｎＪ，波长８９０ｎｍ，ｊ―ｋ！－Ｍ－ｎ■ｍ ｌ哪图１．２２由于电流丝中电子．空穴等离子 体的温度高，由此偏离轴向辐射的光谱（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）大约５０ ｎｍ宽。相应功率峰值为５０ Ｗ。这个电流ｆｉｌａｍｅｎｔ丝半导体激光（ｃｕｒｒｅｎｔ轴向辐射光谱（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）的包 迹大约５ ｎｎｌ宽指出等离子体中载流子密度非常不均匀。轴向辐射在８９８姗的峰值宽大约是Ｏ．１ ｎｍ，轴向辐射光谱 比偏离轴向辐射光谱强大约１０００倍。ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ，简称ＣＦＳＬ）的辐射能量比相应波长的常规（电磁能量注入）半导体激光（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏＩｌａｌ（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ－ｐｕｍｐｅｄ）ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ，简称ＣｓＬ）的辐射 能量强大约１０倍‘５３１。图１．２２显示了轴向的受激发射比偏离轴向的自发发射大约 强１０００倍【５３】。这些测量结果对理解电流丝的传播有重要意义。茎２０ｉｊｌ略?◆◆▲帅蝴刚栅２｜ｌ：到，一二呐ｓ．１．３．５早期理论模型电子科技大学博士学位论文在最初报道ｌｏｃｋ．ｏｎ现象时，主要考虑了几种相关的经典理论机制：耿效应 （Ｇｕｎｎ ｅｆｆｅｃｔ）和深能级杂质陷阱效应【３，３２，５４，７６－７７］。耿效应是由于高电场使电子转移 到较高能量谷里，可能延长载流子寿命，但耿效应不能使载流子倍增【３２］。在半绝 缘砷化镓材料中，ＥＬ２深能级陷阱通常起着主导作用，ＥＬ２深能级陷阱的浓度大约 为３．０×１０１６ ｃｍ‘３［７６１，意味着激光照明或碰撞电离能够产生的载流子密度在１０１６ ｃｍ－３数量级。例如场致增强的陷阱填充模型提出了两种可能机制【７７】：耿不稳定性 产生了高电场，引起价带电离；依赖电场引起电离产生的载流子的一部分填充深 能级陷阱。认为这两个机制可能解释三个实验观察：电压阈值，依赖电压的延迟 和在照明期间电流“类似雪崩”的增加。 在高增益砷化镓光导开关中观察到电流丝后【４ｌ＇４２］，单独的耿效应作用和单独 的ＥＬ２深能级陷阱作用被否定了【４１，６２，７３１。理由如下：耿效应由器件的Ｎ．形Ｉ－Ｖ特 征曲线产生，电流丝则由器件的Ｓ一形Ｉ．Ｖ特征曲线产生【７引，因此单独的耿效应不 能解释ｌｏｃｋ－ｏｎ效应【３２．４１，６２１；由于ＥＬ２深能级陷阱浓度限制【７３’７６１，因此仅仅依靠 ＥＬ２的碰撞电离而产生的载流子密度不能满足电流丝的需要［７３】。 实验观察到光导开关具有Ｓ．形Ｉ．Ｖ特征曲线【３４】和器件中的电流丝【４ｌ，４２１，意味 着高增益砷化镓光导开关中存在载流子雪崩生长机制。分析计算表明：在ＧａＡｓ 中自由电子的平均自由程小于３５ ｎｉｎ［１３】，因此平均一个电子要获得带隙能量（大约１．４ｅｖ）产生碰撞电离雪崩生长所需要的电场必须大于４００ ｋＶ／ｃｍ【ｌ习；实验表明在 ＰＣＳＳ中，平均电场大于４ ｋＶ／ｃｍ，电流丝就能够存在【１３】。因此高增益砷化ＧａＡｓ镓光导开关中的载流子雪崩生长机制成为解释ｌｏｃｋ．ｏｎ现象的关键难题之一。几个 典型的理论模型总结如下： 深能级碰撞电离模型【锯５７１。一个模型【５６】从类似于气体中的电击穿出发，联合 连续性方程和雪崩方程给出一个依赖载流子密度的新方程；给出一个电离系数依赖电场的方程，提出了两步（碰撞）电离过程；认为解释了ｌｏｃｋ－ｏｎ电流的延迟依赖 触发激光和偏置电场。但两步电离过程没有得到实验验证。另外一个模型【５ ７】假设杂质和陷阱在能带隙中间，是补偿杂质电离，光脉冲是高斯形，在ＧａＡｓ晶体中光 激励引起的是价带到深能级杂质的跃迁，则得到杂质电离系数；应用载流子连续、 深陷阱连续、泊松、热产生和外电路等方程，计算结果表明在一定条件下ｌｏｃｋ－ｏｎ 效应应该发生；认为ｌｏｃｋ．ｏｎ电流的震荡（起伏波形）是耿畴运动引起。引起ｌｏｃｋ－ｏｎ 的碰撞电离雪崩包括三种模式，一个杂质碰撞电离产生一个电离的杂质和一个自 由载流子；一个杂质第一次碰撞成为激发的杂质，接着第二次碰撞成为一个电离的杂质和一个自由载流子；价带碰撞电离产生一个电子到一个电离的杂质态，接１４第一章绪论着这个杂质态的第二次碰撞最后形成一对电子一空穴【５７】。 双注入和深陷阱填充模型［５ｓ?５９１。提出在高电场条件下，载流子从两个电极注 入，填满陷阱后，得到Ｓ．形Ｉ．ｖ特征曲线，电流上升导致ｌｏｃｋ－ｏｎ。辐射电子束或 激光照明能够缩短陷阱填充时间。后来计算发现仍然不能解释ｌｏｃｋ－ｏｎ电流的快速 上升现象。阳极雪崩注入模型∞羽】。最初提出激光或电子束激发的初始高密度载流子产生高场畴，畴内碰撞电离使器件进入ｌｏｃｋ－ｏｎ态；复合辐射导致Ｓ．形Ｉ－Ｖ特征曲线。 进一步发展指出转移电子效应是器件转变到ｌｏｃｋ－ｏｎ态的必要条件，转移电子效应在阳极产生高电场引起雪崩注入导致Ｓ．形ＩＷ特征曲线、最终导致了ｌｏｃｋ－ｏｎ效应；激光和电子束都能触发ＰＣＳＳ的ｌｏｃｋ－ｏｎ效应；不均匀的局域载流子密度分布导致 电流丝形成，例如触发激光的焦点等位置；载流子产生的空间不稳定性导致流注 生长，流注以（２～５）×１０７ Ｕ瀣Ｉ／￥的速度传播。 ＥＬ２深陷阱的亚稳态碰撞电离模型【６２１。ＥＬ２深陷阱的碰撞电离雪崩击穿导致ｌｏｃｋ－ｏｎ效应。与从价带到导带的碰撞电离比较，这个模型需要的电场阈值可以少一个数量级。这个模型包括了三个效应：ＥＬ２陷阱位于禁带中间，只需要一半的 能量就能达到导带；陷阱的单电子型雪崩大约只需要从价带到导带的电子．空穴对 的一半能量；热助隧道和降低的普尔．夫伦克尔（Ｐｏｏｌｅ－Ｆｒｃｎｋｅｌ）势垒使电场阈值进一 步减少。触发激光使ＥＬ２深陷阱成为亚稳态，这样引起了发射的光声子的平均自 由程增加和雪崩电场的减少。以此解释ｌｏｃｋ－ｏｎ电流的上升时间和延迟时间，以及 光能量阈值等。以局域雪崩为基础的流注模型［６３’６７】。流注模型都是假设流注体内是近似电中性的等离子体，流注顶部存在高密度载流子。因此流注顶部产生高电场，这个电 场引起载流子在流注项部前面雪崩生长。一个流注模型计算了当流注顶部的电场 为３８０ ｋＶ／ｅｍ时，流注的传播速度为５．２×１０８ ｃＩ】ａ／ｓ［６３拼】；另外一个流注模型计算 了当流注顶部的电场为３８０ ｋＶｌｃｍ一４２０ ｋＶ／ｃｍ时，流注的传播速度为６．６×１０７ｅｒａ／ｓ～１３×１０７ ＣＩＴＩ／Ｓ［６５‘６７１。热模型嘟】。电子和空穴的热电离导致电流丝形成的不稳定性；电子热电离包 括了从深能级的电离和从价带的电离；热电离导致了类似Ｓ．形的Ｉ．Ｖ特征曲线。 这个模型后来在进一步的实验基础上转变发展为集体碰撞电离理论。 传输线模型【７９铷】。将ＰＣＳＳ分成很多小块区域，除了照明区域外，强调了电磁 波能量在小块区域内引起局域场致增强和载流子雪崩生长，电磁波的速度远远高 于载流子漂移速度，由此电流丝速度很快并且ｌｏｃｋ．ｏｎ电流上升时间很短。这个模１５电子科技大学博士学位论文型在定性分析后，没有定量计算结果。 这些代表性的理论模型都是在１９９６年以前提出和发展的，因此称为“早期理 论模型”。综合这些理论模型的特点：考虑了类似于气体中的电击穿（气体放电理 论．）；在ＧａＡｓ材料中，体雪崩击穿电场大约是４００ ｋＶ／ｃｍ；在解释ＧａＡｓ ＰＣＳＳ的 ｌｏｃｋ－ｏｎ效应时，耿效应和杂质效应通常是考虑的一些重要方面；在较低偏置电场 条件下，各种模型都试图提出用不同的方式得到局域场致增强，在达到雪崩电场 阈值的区域内，发生碰撞电离雪崩。１．３．６计算机模型和两个发展中的理论模型计算机模型【ｌｌ－１２，８１】：对ＧａＡｓ ＰＣＳＳ在不同情况下，通过对连续性方程、能量 方程、电场的泊松方程和外电路方程等作出数值解，通过对数值解的分析，分别 指出了光致电离、雪崩是ｌｏｃｋ．ｏｎ效应的必要机制，转移电子效应、表面条件和ＥＬ２ 陷阱等对ｌｏｃｋ－ｏｎ效应有重要影响作用。 集体碰撞电离理论【１８。２３】。在１９９６年初始报道的集体碰撞电离理论考虑了 ｌｏｃｋ－ｏｎ是怎样被一个相对较低的电场（１０ｃｋ．ｏｎ电场）维持而不是怎样被一个场致增 强引发。这个模型认为在砷化镓中载流子密度低于一个阈值（大约为１０１。７ ｃｍ。３）时， 与外加电场提供的能量相平衡的主要机制是光声子发射和常规的碰撞电离（砷化镓 的体雪崩击穿电场大约为４００ｋＶ／ｃｍ）；当载流子密度大于这个阈值和平均电场与 ｌｏｃｋ－ｏｎ电场相当时，高载流子密度减小了光声子发射引起的冷却效应，每个载流 子由于载流子一载流子散射得到有效加热，形成了一个热载流子分布，这个分布有 一个高能量“尾部（ｔｍｌ）＂能够产生碰撞电离雪崩击穿。这个模型建立在连通两个 电极的“线触发＂实验【１８】的基础上，目前在国际学术界影响较大。然而，２０００年发现集体碰撞电离理论的基本近似假设，即准平衡的麦克斯韦一玻尔兹曼分布 假设，能够解释电流丝的产生，但不能解释电流丝的维持现象【２０】。２００７年，集体 碰撞电离理论发现需要的最小电场大约为．１００ ｋＶ／ｃｍ［２３１。换句话说，在理论上没有彻底解决或理解实验观察到的高增益砷化镓光导开关中的“低场（銎ｋＶ／ｃｍ）雪崩＂问题。光激发电荷畴模型【砒７】。这个模型在１９９６年首次报道，主要考虑了光致电离效应和耿效应的稳态畴，认为在一定的触发光能和偏置电场阈值条件下，畴内电 场将达到材料的本征击穿强度从而在畴内发生碰撞电离雪崩，碰撞电离引起的复 合辐射成为触发光脉冲消失后的新光源，产生新的光激发电荷畴，由此决定了开１６第一章绪论关电流脉冲上升时间明显小于载流子以饱和速率在开关电极间的渡越时间。认为 高增益砷化镓光导开关的ｌｏｃｋ－ｏｎ现象是电荷畴放电的结果，计算了最大的畴速度 大约为５．６６×１０ｓ ｃｍ／ｓ。当外电路控制使畴生存条件遭到破坏时，开关电阻恢复。 ２００９年，光激发电荷畴模型开始应用“气体放电理论＂来解释高增益砷化镓光导 开关中的电流丝形成【２刀。１．３．７报道的实验研究与理论研究小结在高增益ＧａＡｓ ＰＣＳＳ的ｌｏｃｋ－ｏｎ效应的实验研究方面，已经积累了较为丰富的 数据资料，从多个方面揭示了ｌｏｃｋ－ｏｎ效应的特征。１．揭示了ｌｏｃｋ－ｏｎ效应发生前， 器件内部存在光致电离、高场畴、电流丝形成和传播。２．揭示了器件两端的Ｓ．形 Ｉ＿Ｖ特征曲线，光、电阈值，延迟、电流快速上升和ｌｏｃｋ－ｏｎ电流维持等现象。３．砷 化镓光导开关的偏置电场一般在几十千伏每厘米，就能产生高增益工作模式【３，加】， 特别在ｌｏｃｋ．ｏｎ期间，器件两端的平均电场可以低到（４０．６）ｋＶ／ｃｍ［５２－５３］，高增益工作 模式表明器件内存在载流子碰撞电离雪崩生长现象；另一方面，砷化镓材料中本 征碰撞电离的理论电场阈值一般至少为４００ ｋＶ／ｃｍ［１３１；两方面比较可见，高增益砷 化镓光导开关表现了难以解释的“低场雪崩’’现象。４．高增益半绝缘ＧａＡｓ光导 开关的“低场雪崩＂分为两个阶段，第一个是流注形成和传播阶段，器件两端的 平均电场较大，一般是几十千伏每厘米【３粥３，４６－４７］；第二个是维持（即ｌｏｃｋ－ｏｎ）阶段， 最低平均维持电场一般从４ ｋＶ／ｃｍ到６ ｋＶ／ｃｍ［５２－５３】． ．各种理论模型已经揭示了ｌｏｃｋ－ｏｎ效应的不同方面的许多重要机制，有的模型 已经联合了其中的一些机制，这些内容和方法对理解ｌｏｃｋ－ｏｎ效应的物理机理有重 要的启示作用。理论研究也揭示了高增益半绝缘ＧａＡｓ光导开关的物理机理的两大 难点，一是电流丝的形成和传播，二是光导开关的“低场雪崩＂现象。从１９８７年 到２００７年报道的各种理论模型，普遍表现为能够解释高增益砷化镓光导开关不同 侧面或不同阶段的实验现象或特征，但是对上述两大难点问题或其中任意一个问 题，没有系统合理的解释。 ２００７年集体碰撞电离理论指出应该考虑耿效应【２３】，２００９年光激发电荷畴模型 开始应用气体放电理论研究高增益砷化镓光导开关【２７１。器件的Ｓ形Ｉ．ｖ特征曲线 与器件中仅有耿效应机制在理论上是根本不相容的［４１，６２，７８１。因此高增益ＧａＡｓ光导 开关的物理机理必须考虑光致电离、畴形结构和电流丝及其相互联系、电流丝与 ｌｏｃｋ．ｏｎ现象的联系、１０ｃｋ．ｏｎ电流快速上升时间等基本问题。１７电子科技大学博士学位论文１．４本论文的选题和研究内容综上所述，高增益砷化镓光导开关的物理机理至今没有一个完整、统一、自 洽的理论。实验研究和理论研究已经积累了丰富的数据资料和思想方法，在这个 基础上，本论文努力开辟新的思想方法和技术路线研究高增益砷化镓光导开关的 物理机理，首次提出了“以畴电子崩为基础的流注模型”。这个选题基于以下理由： 高增益光导开关的物理机制是高功率、超快电脉冲产生和应用领域中的一个 基本理论问题，它对光导开关功率装置性能有重要的决定意义。光导开关具有响 应速度快、高功率、固态结构、体积小、易集成、性能稳定等优点，已在诸如超 快光采样方面、高速诊断和检测、信号处理、超宽带冲击雷达、超宽带通信系统、 超高速电子学、脉冲功率储能系统、高功率微波系统，以及任何需要光控制和快 速响应的双态系统中得到广泛应用，因此研究新型、快速的高功率光导开关，已 成为二十多年来的热点研究方向之一。光导开关是产生高功率激光源和太赫兹 （ＴＨｚ）源的重要方案之一，研究新型快速的光导开关，对国内新近发展起来的ＴＨｚ 理论与技术研究具有重要的科学价值。光导开关对传感器、超宽带激光通讯、半 导体和等离子体诊断、生物医学等方面的应用都具有潜在的重要意义。 从理论和实验两个方面来全面认识高增益光导开关性能随不同参量的变化规 律，有助于建立建全正确理论，增进对高增益光导开关内部导电过程的理解，指 导开关器件结构的设计，以突破非线性光导开关的研制和应用的关键技术。研究 非线性光导开关的物理机制是高功率脉冲产生和应用及其相关领域中科学技术发 展的要求，是该领域的一个前沿难题。 论文的研究内容包括综合分析高增益砷化镓光导开关的实验结果，综合应用 电磁场理论、半导体物理、气体放电中的流注理论、等离子体理论以及其它相关 理论等，引入“畴电子崩＂概念和“电离波＂过程，利用“局域强电场雪崩＂和 “集体碰撞电离机制＂解释电流丝的形成和传播过程，首次半定量地计算了流注 的传播速度，与实验观察符合很好，验证了“畴电子崩＂的合理性，合理地解释 高增益砷化镓光导开关的各种实验现象。探索研究高增益砷化镓光导开关的物理 机理：验证线性光导开关的物理机理。 论文的结构顺序展开如下：第二章综合描述了研究高增益砷化镓光导开关的 物理机理的理论基础；第三章研究了理想的本征砷化镓光导开关的高增益机制； 第四章研究了实际的半绝缘砷化镓光导开关的非线性机制；第五章用这个理论模 型进一步分析实验结果；第六章验证了线性光导开关的物理机制；第七章是对全第一章绪论文的总结和对未来研究工作的展望。１９电子科技大学博士学位论文第二章高增益光导开关的基础理论２．１引言高增益砷化镓光导开关的实验研究揭示了光致电离、畴形结构和电流丝及其 相互联系、电流丝与锁定（１０ｃｋ－ｏｎ）效应的联系、ｌｏｃｋ－ｏｎ电流快速上升时间等现象， 因此半导体物理和气体的流注理论，成为理解高增益砷化镓光导开关的物理机理 的理论基础。这一章总结了这个工作所需要的基础理论，分别以基本方程、砷化 镓中的碰撞电离和高场畴理论、气体的流注理论等几个部分阐述如下。’２．２基本方程一般基础方程由载流子连续性方程（考虑光生载流子的产生，扩散漂移与复 合），电流连续方程，泊松（Ｐｏｉｓｓｏｎ）方程，爱因斯士Ｅｌ＿（Ｅｉｎｓｔｅｉｎ）关系式，能量守恒和 动量守恒定律，陷阱动力学方程，以及外电路方程组成。 载流子连续性方程：害＝％＋‰一心＋吉Ｖ?ｚ害＝％＋‰－ＲＰ－！ｇＶ?瓦电流密度和空穴电流密度，表示为：（２－１）（２．２）式中玑Ｐ分别为电子和空穴浓度，ｔ为时间变量，Ｇｏｐｔ为光产生率，Ｇ仰为碰撞电离产生率，Ｒ＂岛分别为电子和空穴的复合率，ｇ为电子电量，厶、易分别为电子ｄ。＝掣。ｎＥ＋ｑＤ．Ｖｎｊ ｐ＝ｑｐｐｐＥ―ｑＯ孓ｐ（２＿３）ｐｑ石＝Ｚ＋ｄ―ｐ＋占百ＯＦ，（２－５）雷＝一Ｖ沙 （２―６）式中胁、炜分别为电子和空穴迁移率（考虑ＧａＡｓ的负微分迁移率），协、岛分别为＿－＿－＿＿－－－●－＿－＿＿＿－＿＿＿－＿＿＿＿Ｉ＿＿－－ｌ－－＿＿＿＿＿＿－＿＿＿＿●――＿●＿●――＿＿＿＿＿－－＿＿＿－――――――――――一。．．釜三皇壹塑萱堂量堑羞塑薹型里笙――电子和空穴的扩散系数，矗为总电流密度，沩材料的电容率，Ｅ为电场，油电势。 如果ｐ表示电荷密度，则电流连续性方程为：Ｖ－了＋望：０爱因斯Ｊ妇＿（Ｅｉｎｓｔｃｉｎ）关系式：（２．７）见：一ｋＴ以ＤｐｉｋＴ ｕ，式中ｋ为玻尔兹曼（Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）常数，ｚ为绝对温度。 泊松（Ｐｏｉｓｓｏｎ）方程：ｖｚｙ：一三０－－ｎ＋孵）（２－９）式中肘为深能极电离杂质浓度，坼为深能级陷阱浓度。陷阱动力学方程：等巩一Ｙ。（２－１０）――――ｏ＝ｙ一乱‘ｐＨ式中Ｙ一、ｙｐ分别为电子和空穴的俘获率，矿ｃ，沁一孵ｂ―Ｃ，Ｎ―Ｖ；ｇ唧ｌ学ｌ 以：ｑ坼阼一ｑⅣｃ∽叫ｋ。ｅＸｐｌ销式中Ｇ、Ｃｐ分别为ＥＬ。的电子和空穴俘获系数，ｑ＝盯ｐ呢；深陷阱简并度因子。 外电路约束方程：（２．１１）（２－１２）ｑ＝盯一％；嘞、乃分别为ＥＬ２的电子和空穴俘获截面，％为电子热运动速度，Ｍ、肌分别为导带和价带的有效态密度，如、Ｅｙ分别为导带底、价带顶能量，西为深陷阱能级，ｇ为‰＝％一同肷。巧ｗ为开关两端的电压，Ａ为电极面积，圪为偏置电压，凡为负载电阻。（２?１３）电子科技大学博士学位论文载流子的复合： 兄＝尺倒＋８椭＋７。 Ｒ，＝尺口，ｆ＋尽蚰＋ｙｐ （２?１４） （２－１５）式中‰为直接复合率，‰为肖克莱一里德一霍尔（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ―Ｒｅａｄ―Ｈａｌ １）复合率。这些基本方程是分析高增益砷化镓光导开关的物理机理的出发点和进行数值 模拟的依据。２．３砷化镓中的碰撞电离和高场畴理论实验表明了高增益砷化镓光导开关的锁定（１０ｃｋ－ｏｎ）现象发生前，存在高场畴区 域，然后是电流丝放电维持了ｌｏｃｋ－ｏｎ现象。这一节聚焦于总结砷化镓材料的雪崩 击穿现象、电压型负微分电导率（Ｎ－ＮＤＣ）和电流型负微分电导率（Ｓ－ＮＤＣ）及其相互 联系、ＥＬ２陷阱作用【８２．９３】、不均匀掺杂的作用意义等基础内容；并参考引用专著［８３】 阐明了高场畴的形成、生长、传播、猝灭的条件和特征方式等相关内容【舛以３６】，特 别注意在这些过程中已经得到的一些定量结果。２．３．１概述半导体样品中高场畴形成源于该器件具有一个Ｎ形负微分电导率（ＮＤＣ）的电 场范围，如图２－１所示‘８２?８３１，图中，表示漂移电 流密度，Ｅ表示电场。目前清楚产生Ｎ－ＮＤＣ主 要有两个机构：电子俘获机构和转移电子效应 （ＴＥＥ）。考虑ｎ型半导体样品，漂移电流密度为：Ｊ＝咒删Ｊ（２―１６）苎中二芋譬望，竺二三．苎差翼三兰竺？兰 度。定义．厂对电场Ｅ的导数为微分电导率盯’，可以表示为：孬硅曲磊杀蔷崮～一。’图２－。Ｎ形电流密度－电场㈣Ｅ盯’――＝纠――＋―― 盯，坐：纠塑＋坐 ．２（ＩＺ’Ｊ １１７１ ｅｎ １）如果电子密度万或载流子平均漂移速度’，随电场的增加很快地下降，则盯’就取负 值。在一定电场范围内的这种行为，形成如图２．１所示的Ｎ－ＮＤＣ［８３１。电子密度甩第二章高增益光导开关的基础理论和半导体样品的迁移率∥都是随电场Ｅ变化的。影响电子密度以变化的主要有雪 崩击穿、碰撞电离、载流子注入【蚓、电子陷阱等因素【８２】；影响半导体样品的迁移 率弘变化的主要有转移电子效应和声电（ａ００ｕｓｔｏ．ｅｌｅｃｔｒｉｃ）效应等因素Ｅ８２】。显然，引 起如图２．１所示的Ｎ－ＮＤＣ的因素分别是电子俘获机构和转移电子效应。 电子俘获机构解释了电子密度刀随电场的增加很快地下降（ｄｎ／ｄＥ＜Ｏ）的情况。 俘获在带负电杂质中心上的电子处于非导电状态，降低了自由电子密度。在低电 场时，自由电子没有足够的能量克服杂质中心周围的势垒，因此不影响导电机构。 随着电场增加，自由电子获得足够的能量穿透势垒后，被俘获成为不可动电子。 然而，在电场很高时，自由电子获得的能量高到可以通过碰撞离化，把先前被俘 获的电子从它们的位置上释放出来，这种情况下电子俘获效应又消失。因此， ｄｒｄｄＥ＜Ｏ仅在一定的电子能量范围内存在［８２１。另一方面，在半导体样品中，当自由 电子密度刀在小于等于最大的陷阱浓度的一定范围内，电子俘获效应能够起着重 要作用；当自由电子密度万大于最大的陷阱浓度时，电子俘获效应迅速减小；在 更高的自由电子密度栉时，电子俘获效应消失【８２１。 光导开关一般是半绝缘砷化镓材料制成的。１９６０年提出了半绝缘砷化镓概念 【８５１。１９６１年提出了高电阻砷化镓的能级模型【８６１，深能级杂质具有重要作用。对半 绝缘砷化镓样品影响最大的是ＥＬ２深能级杂质结构【８７．９ｌ】。理论上通常考虑ＥＬ２深 能级缺陷的浓度从５×１０１５ ｃｍ－３【蚓到６×１０１６ ｃＩＩ一［９３】，例如实验测量到ＥＬ２深能 级缺陷的浓度为３．４×１０１６ ｃｍ－３ｆ８７１。室温下热平衡状态时，由于费密（Ｆｅｒｍｉ）能级高 于ＥＬ２能级，因此ＥＬ２能级一般是被填充满的，没有被填充的（或电离的）ＥＬ２浓 度与ＥＬ２总浓度的比值一般小于５％［８刀。半绝缘砷化镓材料中存在密度为１０１５ｃ１１１－３数量级和更低浓度的其它杂质。在半绝缘砷化镓样品中，ＥＬ２深能级陷阱浓度的 数量级一般为１０１６ ｃｍ．３，通常比其它的陷阱浓度至少大一个数量级，因此ＥＬ２在 产生电子俘获效应中起着支配作用。当自由电子密度在１０７ ｃ１１，墨ｒ／＜－１０埔ＣｌＴｌ－３范 围时，ＥＬ２深能级陷阱产生电子俘获效应起着主导作用，导致慢畴形成１８２］；电子 密度以的值比１０１６ ｅｍ－３略高一些，电子俘获效应的作用迅速减少；对掺杂程度高 的ｎ－ＧａＡｓ，电子俘获效应的作用消失ｆ８２１。由于ＥＬ２的复杂性，在半绝缘砷化镓样 品中，电子俘获效应的作用通常是定性描述，例如在高电场ＥＬ２电子陷阱是慢畴 形成的原因，而电子俘获效应的定量描述是困难的【８２】。 转移电子效应解释了载流子平均漂移速度１，随电场的增加很快地下降（ｄｒ／ｄＥ＜Ｏ） 的情况。转移电子机构的根据是半导体样品的导带中存在“多能谷’’结构，当外 加电场升高时，电子从低质量、高迁移率的能态足够快地转移到较高质量、较低电子科技大学博士学位论文迁移率的能态，在电场超过临界值时能够出现ｄｖ／ｄＥ＜Ｏ的情形。半导体样品的微分 迁移率∥’＝ｄｖ／ｄＥ，当Ⅳ’＝ｄｒ／ｄＥ＜０时意味着半导体器件具有负微分迁移率。转移 电子效应直接影响半导体的微分迁移率∥’。对于Ｎ型砷化镓样品，转移电子效应起作用需要满足条件：载流子密度万与样品长度的乘积必须大于１０１２锄－２和畴外电场必须大于“畴的维持场’’Ｅｓｕｓ≈１ ｋｖ／ｃｍ［８２，９４－９８】。当载流子密度达到大约１０１８ｃｍ－３时，负微分迁移率效应消失【睁１００］。在掺杂的ｎ型砷化镓样品中，转移电子效应已经被广泛深入地研究，获得许多重要的定量结果【７８，８３，１０３?１３６１。 综上所述，在电场足够高时，半绝缘砷化镓和ｎ型砷化镓样品能够展示Ｎ－ＮＤＣ 存在一个载流子密度范围的限制，电子俘获效应和转移电子效应在各自不同的范 围和相应的条件下发挥其作用。实验表明在许多ｎ型砷化镓样品中，当载流子密 度刀在１×１０１７ ｃｍ－３到２Ｘ１０１７ｃｍ－３范围内，难以直接观察到畴形成【１０１１。本节下面几个部分分析总结了砷化镓材料中的雪崩击穿特性、Ｎ－ＮＤＣ和 Ｓ－ＮＤＣ的意义及其相互联系、转移电子效应的基本知识、概念和方法。２．３．２砷化镓中的雪崩击穿实验和理论已经研究了砷化镓材料中的雪崩击穿问题［１３７－１ｓ４］。下面主要给出各 种情况下所得到的研究结论。 ２．３．２．１砷化镓材料中本征碰撞电离需要的条件 在半导体材料中研究载流子碰撞电离雪崩增长来源于气体放电理论，根据气体放电理论，一般要测量和计算碰撞电离系数（ａ／ｅｒａ＂１），即沿电场方向，电子在漂移运动中由于碰撞电离在单位长度内产生的电子数。Ｗｏｌｆｆ第一个应用气体放电理 论解玻尔兹曼（Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）方程，在半导体硅（Ｓｉ）和锗（Ｇｅ）ｄｅ计算了碰撞电离系数 【１３７】，载流子碰撞电离被认为是一个基本机制，引入到半导体电性质的研究中。 Ｂａｒａｆｆ给出了在半导体中最普遍的碰撞电离理论【１３８１。较系统研究和论述砷化镓（Ｇａｂ．ｓ）材料的是Ｓｈｉｃｈｉｊｏ［１３９】等人和Ｂ１ａｋ锄ｏｒｅ【１４０１，Ｓｈｉｅｈｉｊｏ等人用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ仿真计算了ＧａＡｓ在３００Ｋ时电子的平均自由程随电场强度的变化关系和电子的平均 能量随电场的变化关系【１３¨４０ｌ。随着电场强度Ｅ从约３ｋＶ／ｅｍ上升到５００ｋＶ／ｃｍ， 电子平均自由程屯，从厶ｙ＜３５ｎｍ下降到５ｎｍ．３ｒｉｍ［１３９１，２ａ，＝３５ｎｍ时本征碰撞电离需要的电场Ｅ＞４００ｋＶ／ｃｒｎ。大量实验证吲１３９舶５】：在砷化镓材料中，掺杂浓度大约在２．９×１０１５ ２．２×１０５ＣｌＴＩ＂３到５．１５ＸＸ１０１６ｃｍ－３的范围内时，发生雪崩击穿所需要的电场大约在Ｖ／ｅｍ到５．５１０５Ｖ／ｅｒａ的范围。实验表明了电流增益【１３９－１删或进行了电压２４第二章高增益光导开关的基础理论测量１１４５］，这些实验的电场强度通常很大：２２０ｋＶ／ｅｍ≤Ｅ Ｓ ５５０ ｋＶ／ｅｍ，然后分析测得的电流或电压等实验数据，计算出‘碰撞电离系数ａ’。在电场强度Ｅ小于 ２５０ｋＶ／ｅｍ时，由于增益很低及实验的稳定性问题，难以计算‘碰撞电离系数，【１４２】。 电子的平均能量ｅａｒ随着电场强度Ｅ的上升而上升【１３９１：当Ｅ＝１００ｋＶ／ｃｍ时，相应的ｅｒａ，＜０．６ｅＶ，当Ｅ＝５００ｋＶ／ｅｍ时，相应的８∥１．０ｅＶ，而电子的本征碰撞电离要求电子在３００Ｋ时必须具有的最小能量大约是１．４ ｅＶ。这些结论表明：在砷化镓（ＧａＡｓ） 材料中电子要获得本征碰撞电离的能量是非常困难的。 ２．３．２．２砷化镓材料中高场畴的畴内碰撞电离 在砷化镓材料制成的大样品中，Ｈｅｅｋｓ系统研究了耿效应出现时，高场畴内的 碰撞电离现象【１４６】，得到一些重要结论。Ｈｅｅｋｓ的实验中【１４６１，砷化镓样品长度大约 为１ ｍｉｌｌ到２．５０．８ｎｌｎｌ，掺杂浓度为３×１０Ｍ锄一，样品的电阻率大约为０．３Ｑ?ｃｎ＇ｌ到Ｑ?ｃｎｌ。当畴内雪崩发生时，畴内产生了超额载流子，但产生的载流子密度没有大到能够破坏畴的结构，在随后的畴电流输出时明显地产生了“噪声＂现象，电 流增加很小，畴速度增加约３５％；同时移动畴辐射了砷化镓禁带隙能量的红外光 子，表明砷化镓材料在畴电场足够高时产生了本征碰撞电离。在电阻率较大（约为１．４Ｑ?ｃＩＩｌ到６．３ Ｑ?ｅｍ）的砷化镓样品中，稳态畴内的电场较低，不能产生碰撞电离１１４６］。实验【１椎１４７１和理论【１４６，１删表明：砷化镓中畴内雪崩产生的超额载流子，一部分填充了陷阱，因此在每个雪崩的畴经过的路径上，样品的电导率都能够稍微增加， 样品保持了Ｎ－ＮＤＣ特征。实验表ｏ＃ｊｔｌ０２，１协１５２】：在掺杂浓度大于１０１５咖’３到小于１０１７锄．３的范围内或电阻率大约小于等于Ｏ．１ Ｑ?ｃｍ的砷化镓样品中，观察到耿不稳定性引起了一个电流 型负微分电导率（即Ｓ－ＮＤＣ），电压型负微分电导率（即Ｎ－ＮＤＣ）直接转换为Ｓ－ＮＤＣ。 这个现象有两种不同的理论解释：一是碰撞电离雪崩发生在一个电极附近的局域 高场（Ｅ＞２００ Ｋｖ／ｃｍ）ｘＥ域内【１４９，１５１１；二是认为在整个样品（１０１．ｔｉｎ 中ａ为样品长度）中均匀地存在低场（３Ｋｖ／ｃｒｎ＜Ｅ＜２００ ＳａＳ ２００Ｉｘｒｎ，其Ｋｖ／ｅｍ）雪崩【ｌ毗１５３］，Ｃｏｐｅｌａｎｄ认为砷化镓材料中载流子生长率在电场从３ ｋＶ／ｃｒｎ到１０ ｋＶ／ｅｍ的低场范 围内存在～个峰值【１５０１，Ｃｏｎｗｅｌｌ提出砷化镓中载流子生长率在从电场大约为３ ｋＶ／ｅｍ直到电场大于２００ ｋＶ／ｃｍ的范围内没有峰值而是持续增加的【１５３１。“低场雪 崩＂为人们提供了一个新的思路，然而人们通常认为这是较高载流子密度（或较低 电阻率）情况下的畴内的高场雪崩。观察发现：当载流子密度大于１０１６ ｃｎｌ‘３时，电 离率已经大到足以搅乱相关的畴运动【１０２】。电子科技大学博士学位论文实验表明【１０１?１０２，１４９，１州：在掺杂浓度大于１０１７ ｃＩｌｌ．３或电阻率大约小于等于Ｏ．０４Ｑ?ｃｍ的砷化镓样品中，难以观察到器件的Ｎ－ＮＤＣ现象。载流子密度在１×１０＂锄．’ 到２×１０１７锄。３的范围内的许多样品的实验中观察到ｆ１０１】：样品的Ｉ．Ｖ特征保持欧姆规律直到电离阈值，没有畴形成；当电离发生时，样品两端的平均电场下降， 即出现了Ｓ－ＮＤＣ现象。在一个载流子密度为１．３×１０１。７ ＣＩｌｌ＂３的样品中，观察到第一 个畴的红外辐射，相应于这个畴在渡越样品期间，外电路的电流保持在样品的欧 姆特性的电流最大值处，没有减小，即没有出现Ｎ－ＮＤＣ特征现象【１０２】；第一个畴渡越样品后，电流稳定上升，没有任何下降的地方，不能观察到第二个高场畴，换句话说，不能观察到耿振荡现象【１０２】。这个实验结果表明在载流子密度大于１０１７ ｃｍ。３的砷化镓样品中，在外电路难以观察到Ｉ．Ｖ特征的Ｎ－ＮＤＣ区域。这个现象能够被相应的肖克莱唧．Ｓｈｏｃｋｌｅｙ）理论解释［引用专著８３，Ｐ．５］－高电场条件下的高密度载流子的雪崩产生的ｄｎ／ｄＥ＞０的效应，过补偿了陷阱填充引起的ｄｎ／ｄＥ＜０ 和转移电子效应引起的ｄｒ／ｄＥ＜０所造成的结果。在电阻率大约为０．０１ Ｑ?ｃａｎ的砷 化镓样品中，没有观察到耿效应【１５４１。Ｔｈｉｍ明确描述了对于１１型砷化镓样品，在杂 质浓度万ＤＳ～１ ０１８ｃｍ．３时，负微分迁移率才能展示其效应［９９－１鲫。２．３．２．３集体碰撞电离机制 在砷化镓材料中提出的第二个低场雪崩理论是“集体碰撞电离理论＂【１９－２４］。 这个理论认为，在载流子密度小于１０１７ ｃｍ。３时，载流子雪崩必须遵循高场条件。 当载流子密度大于１０‘７ ｃＩＩｌ‘３时，载流子雪崩生长可以在较低的电场中发生，这个 最低的雪崩电场目前被确定为大约１００ｋＶ／ｃｍ［２３】。２．３．３半导体器件的电流一电压（Ｉ－Ｖ）特征（微分负电阻）在半导体器件中，观察到多种微分负电阻现象【８４】。电压控制的微分负电阻（图 ２．２）是少有的现象［８４１，通常是与转移电子效应或电子俘获机构联系在一起的，需要 材料具有特殊的本征性质。电流支配的微分负电阻（图２．３）一般是常见的现象，通 常是与碰撞电离电击穿雪崩联系在一起的【８４ｌ。在Ｉ－Ｖ特征曲线中的微分负电阻范 围，主要导致了器件的电不稳定性。例如初始均匀的材料变成了电不均匀性，试 图达到稳定。 在电压控制的微分负电阻（Ｎ形Ｉ．Ｖ特征曲线）情况下，高场畴形成，分隔了低 场区域，高场和低场区域的分界面是等势面，垂直于电流方向，见图２．４１８４１。在电 流支配的微分负电阻（Ｓ形Ｉ．ｖ特征曲线）情况下，沿电场方向的高电流丝形成，见第二章高增益光导开关的基础理论图２．５㈣。ＪＪＥＥ图２．２电压控制的微分负电阻示意 图，Ｊ表示电流密度，Ｅ表示偏置电 场，呈现Ｎ形Ｉ．Ｖ特征。图２．３电流支配的微分负电阻示 意图，Ｊ表示电流密度，Ｅ表示偏 置电场，呈现ｓ形Ｉ．Ｖ特征。Ｈｌ（ｊｈｆｉｆｌｄＨｌｇＩＩｃ．ｒｒｅｎｔＬｏｗ ｆＩｃＨＬｏｓ ｃｕｒｒｅｎｔ 图２－５电流丝形成示意图图２４畴形成示意图首先从不可逆的热动力学观点讨论这些转变，包括建立以产生最小熵为特征 的稳态，然后考虑器件的电稳定性。假设器件具有单位长度和单位横截面积，即 单位体积不变，器件内部具有电势梯度和温度梯度，由热力