微带线不连续性对光电导开关非线性特性的影响*

马湘蓉,花 涛,宋宇飞

(南京工程学院通信工程学院,南京 211167)

微带线不连续性对光电导开关非线性特性的影响*

马湘蓉*,花 涛,宋宇飞

(南京工程学院通信工程学院,南京 211167)

实验对全固态同轴―微带型横向半绝缘砷化镓(SI-GaAs)光电导开关传输特性进行了研究:当偏置电压达到一定阈值时,普通开关进入了非线性锁定(Lock-on)工作模式;在相同实验条件下,当微带线出现不连续时,输出的电脉冲波形没有出现锁定现象;分别用空气击穿的流注模型和微带线等效电容机理分析了微带线不连续效应引起整个开关电路性能变化及抑制开关Lock-on效应的原因。

SI-GaAs光电导开关;微带线;不连续;间隙;击穿

超快脉冲激光器与半绝缘光电半导体(如GaAs,InP,SiC等)相结合形成的超快光电半导体功率开关器件,具有皮秒响应、GHz的重复频率、触发无晃动、高耐压、寄生电感电容小、光电隔离、结构灵活等特点,使之在超高速电子学、脉冲功率技术、THz技术等领域具有广阔的应用前景[1-3]。光电半导体开关有两种工作模式,一种是线性模式,即一个入射光子最多能激励一个电子-空穴对参与导电,其重复工作频率高且使用寿命很长,可应用于超快开关,但输出的电脉冲没有增益,所需触发光脉冲能量较高,且偏置电压较低;另一种是非线性(Lock-on)模式,即在满足一定的光能、电场阈值时,一个入射光子能激励多个电子―空穴对参与导电,输出电脉冲出现明显的锁定现象,因此该模式也被称为高增益模式[4-5]。

国内外学者对砷化镓光电导开关进行了广泛地研究,西安理工大学的施卫教授[6-10]等人对光激发电荷畴的猝灭模式和电流限制效应进行了研究,并对大间隙半绝缘GaAs光电导开关的过压弛豫限累模式做了相应的分析和研究。马湘蓉[11]对沿面闪络和丝状电流对光电导开关的损伤机理开展了实验研究。袁建强[12]等人对半绝缘GaAs光电导开关从线性向非线性工作模式过渡时呈现出的独特的光电导现象进行了报道和分析。GaAs光电导开关在工作过程中,其传输机制和传输特性较为复杂,其传输过程与GaAs芯片的表面状况、电极的几何形状、制作工艺和接触性质、偏置电压、触发光源以及其热力学性质都有关系[13],这些因素的相互作用影响了光电导开关的传输特性,限制了开关在高电压、大功率领域的发展。因此,必须要求开关的研制者们通过对芯片材料的特性、几何结构以及工艺技术等方面进行不断改进,来提高开关的快速响应特性,通过改进开关电极的材料、掺杂、接触工艺、形状及微带线性能等来优化开关设计。

微带线是目前在微波集成电路中使用最多的一种平面型传输线,主要是因为它可以利用集成电路上现成的平面电路工艺,用光刻程序制作,而且可以与其他有源或无源微波器件集成。在利用微带线传输电磁能量和构成各种微带电路时,必然会碰到微带线的不连续性。如何处理这些不连续,是设计微带电路的一个关键问题。本文的实验对象是将GaAs芯片安装在与之匹配的平面微带传输线上,形成具有最低电感的输出方式,整个开关经微带―同轴过渡与同轴电缆相接。通过对开关微带线出现间隙等不连续情况的研究,分析微带线对开关输出特性的影响,为今后优化开关结构提高开关性能提供可行的解决方案。

图1 同轴―微带型横向光电导开关

1 实验与结果

1.1 普通开关实验

利用全固态同轴―微带型横向SI-GaAs光电导开关实验,半绝缘GaAs作为光电导芯片材料,外形尺寸为9 mm×6 mm。用电子束蒸发工艺淀积厚度为900 nm的Au/Ge/Ni合金电极,经退火处理与GaAs晶片形成欧姆接触,电极尺寸为6 mm×4 mm,圆角半径为1.1 mm。将这种GaAs芯片安装在与之匹配的平面微带传输线上,形成具有最低电感的输出方式。整个开关经微带―同轴过渡与同轴电缆相接。微带传输线用高导热性能的Al2O3敷铜板制作,使开关具有良好的散热性能。开关的绝缘保护采用多层固态透明介质。如图1所示,第1层介质为Si3N4,与通常的钝化保护层相同。第2层介质为新型有机硅凝胶,它的绝缘化强度大于280 kV/cm,在360 nm～1 200 nm波长范围内的平均透过率约为95%,对触发光的吸收几乎可以忽略。整个开关由同轴电缆接头作为输入/输出端,用超短激光照射开关芯片以触发开关导通。此时光脉冲照射到光电导体有源部分上时,即微带电极间隙部分,以此来产生超短电脉冲。

图3 电极间隙3.5 mm普通开关输出波形

实验所用的SI-GaAs材料中载流子浓度n≈1014cm-3,暗态电阻率ρ>5×107Ω·cm,电子迁移率μ>5 500 cm2/(V·s),本征击穿强度为250 kV/cm。GaAs芯片反射率R=0.328,吸收系数α=13.52×103cm-1。开关芯片厚度为0.6 mm,两电极间隙为3.5 mm。用脉冲能量可调的Nd:YAG激光照射芯片来触发开关导通,激光脉冲宽度为3.5 ns,波长为532 nm,触发光能量为1.8 mJ,光斑半径为1 mm。开关经60 dB衰减器与Lecory示波器相接。测试电路如图2所示,触发光源通常为纳秒激光器,实验中能量计用以检测触发光脉冲能量。开关电极两端接微带传输线,然后经50 Ω特性阻抗的同轴电缆与电路相连。开关输出脉冲信号经衰减器衰减后与示波器相连,示波器电阻可调。光电导开关同轴端子输出端接电容器进行储能,最后经限流电阻接直流高压电源。偏置电压在1 500 V和2 000 V时输出脉冲波形分别为图3(a)和图3(b),实际输出电压分别为1 250 V和1 740 V。

图2 同轴―微带型横向光电导开关实验电路图

1.2 微带线间隙靠近开关阴极处实验

在上面的普通开关靠近阴极微带线上用刀片划开一条约0.2 mm间隙。在同样实验条件下,当偏置电压在1 500 V时输出电脉冲波形单次触发如图4(a)和重复1 250次触发如图4(b)所示。微带线上的间隙处开始有断续的火花放电发生。

1.3 微带线间隙靠近开关阳极处实验

在上面的普通开关靠近阳极微带线上用刀片划开一条约0.2 mm间隙。在同样实验条件下,当偏置电压在1 500 V时输出脉冲为紊乱波形,如图5所示。

图5 阳极处0.2 mm微带间隙,偏置电压1 500 V时输出波形

1.4 激光触发靠近阴极处微带线间隙实验

同样实验条件下,能量20 mJ激光聚焦后照射到微带线间隙上,偏置电压达到1 900 V时,出现超短脉冲波形,连续触发输出电脉冲波形如图6所示。脉冲上升沿1 ns左右,幅值50 mV～60 mV左右。

图6 激光触发阴极处0.2 mm微带间隙,偏置电压1 900 V时输出波形

2 理论分析

2.1 微带线不连续特性

微带线不连续又称不均匀性,微带线的分支、拐弯、尺寸突变及截断、间隙等,都属于微带线不连续情况。通常可用适当的等效电路来表示上述的不连续性,由于微带线属于分布参数电路,不连续性的影响相当于在电路中并联或串联一些电抗元件,或是使参考面发生变化。由于微带线结构的边界条件是很复杂的,再加上不连续性结构,就使得边界条件更加复杂化。

图7 微带线中电场分布和微带线开路端的电场及其等效示意图

图7(a)所示为微带线中的电场分布[14]。与微带线的使用波长相比,不连续线段的尺寸通常很小,因此,可以用集总元件等效电路来表征它。由于这些不连续都是由导体的结构尺寸突变引起的,微带上除有反射电流、传输电流外,还有微带不连续激发的电流。在间断处电磁场的分布被改变,其中电场的改变引起电容的等效改变,磁场的改变引起电感的等效变化,所以,微带线不连续性的分析,就是计算由这种不连续引起的电容和电感参数的变化量。

微带线的开路端实际上相当于一个RLC网络终端,电阻R表示辐射能量损耗,电感L表示过剩电流,电容C表示过剩电荷。这是因为,在微带条的突然截断处,由于场分布的畸变,导带末端处比带条的其余部分多积聚更多的储存电荷,并有与过剩电荷相关的过剩电流流动,同时还要辐射能量。在截断处附近,其电力线要延伸到截断端的外面。即在这个局部地区内要储存电能。因此,截断处并不是一个简单的开路端,类似于接了一个电容负载。等效的开路截面比微带的实际截断端向外延伸了一段距离Δl,如图7(b)所示[15]。

图9 微带线间隙等效电路图、微带线导通时等效电路图和激光聚焦触发微带线间隙等效电路[17]

微带间隙在微带电路中也是常见的不连续性之一,其结构如图8所示[16]。可以看成是两条微带通过一个串联电容C2而互相耦合起来。同时在两条微带线的截断端与底衬之间也存在一等效电容C1,因此,微带线间隙的等效电路可以设想是一个π型电容网络[17],如图9(a)所示。

图8 微带线间隙结构[16]

在0.5≤W/H≤2和2.5≤εr≤1.5,用下列表达式来计算电容C1和C2。

(1)

(2)

式中:W是微带线宽度,H是基底的厚度,εr是介电常数,参数k1和k2,m1和m2与W/H的数值在文献[18-19]中可查。

2.2 微带线间隙导通过程

微带线间隙靠近开关阴极处时,有大量电子注入间隙,此时的微带线间隙近似可看作空气隙开关。引入气体击穿汤森―流注模型来解释微带线间隙击穿过程如图10所示,认为空气隙击穿过程由汤森机理起始,而后电子崩在向阳极运动过程中转变成流注,流注向阴极传播,最终流注贯穿整个间隙,造成空气的击穿。

图10 微带线间隙击穿示意图

汤森(Townsend)机理的过程主要是正离子构成的空间电荷在阴极附近建立了电场,γ效应使连续不断的电子雪崩形成放电间隙中的导电性。在流注机理中[20],由单个电子雪崩形成的空间电荷的自身发展,使得雪崩转变成高度导电的等离子体。击穿形成经历4个过程:(1)从阴极发射出的初始电子,在向阳极运动中形成一个电子雪崩,电子雪崩中辐射出大量的光子,使阴极产生光电子发射;(2)光电子产生大量次电子雪崩,由于电子的迁移速度大,形成了如图10所示的空间电荷分布;(3)电子到达阳极后,聚集在阳极附近的大量正空间电荷使电场畸变,阳极处的电场强度降低,阴极处的电场强度升高,于是电子电离系数α指数倍增长,电子雪崩效果显著增大。当eαd≥n临界(d是微带线间隙距离,n临界是积累的空间电荷达到雪崩的临界数值)时,电子雪崩转变为流注;(4)击穿向流注过渡。次电子雪崩不断汇入主电子雪崩,使流注向阴极方向传播,而电子则沿通道向阳极运动,从而导致气体的击穿。微带线间隙击穿时等效电路如图9(b)所示。

SI-GaAs光电导开关在达到一定光电阈值时,在GaAs芯片内就会出现载流子雪崩倍增产生光激发电荷畴[21]。一旦微带线间隙导通,就施加给光电导开关一定的偏置电压,但是由于受微带线间隙不连续特性的影响,微带线间隙截断处积聚了更多的储存电荷漏电流增大,以及微带线间隙击穿时火花放电损失了大量的能量,这样施加给光电导开关的电压远没有达到进入锁定状态的非线性阈值。GaAs芯片中载流子的复合时间(几十ns)远大于空气隙形成等离子体的时间,那么当微带线导通时,GaAs中的高浓度载流子仍存在且可停留数ns。所以当光电导开关和微带线在同一时刻导通时达到的峰值电流高于普通开关,使得输出脉冲波形有明显增益。因光电导开关与微带线间隙导通过程存在延迟,输出脉冲呈现出振荡波形。当非平衡载流子经过几十ns的复合、扩散、电极和微带线辐射、吸收,能量在电路中损失,无法提供给空气隙足够高的大于自击穿阈值电压时,开关就进入断开状态。输出电脉冲波形如图4所示,这时光电导开关没有出现Lock-on(锁定现象)。

在持续偏置电压作用下,微带线间隙间出现贯穿两极、断续明亮的细火花通道。火花放电间断的原因是:当间隙击穿形成火花放电通道后,电流突增,这就使外电路中阻抗上压降增加,导致间隙中电压降低,火花熄灭;此时回路中电流减少,阻抗上的电压降低,间隙中电压再次增加,又发生击穿形成火花,如此往复循环,就形成了断续的火花放电。

微带线间隙靠近开关阳极时,微带线间隙等效电路图如9(b)所示。整个过程分为4个阶段:(1)当SI-GaAs芯片两端没有偏置电压时,芯片也会因激光脉冲作用产生电子―空穴等离子体,等离子体到达对面电极时,芯片内瞬间流过电流,使得微带线间隙等效电容得到了充电。此时电路中电流比较微弱,不足以使微带线间隙发生空气击穿过程,这时微带线间隙相当于等效电容充电过程。(2)微带线等效电容进入了迅速放电过程,GaAs芯片两端施加有一定的偏置电压达到击穿阈值,开关导通,输出电脉冲波形呈现出一个显著的反向波峰。(3)这时微带线间隙电压已达到一定阈值,空气隙击穿过程发生,光电导开关导通输出正向波峰。(4)这样在微带线间隙等效电容交替充放电以及GaAs芯片电阻率交替恢复和下降等过程相互作用。电容充放电的能力不断衰减,直到开关内载流子完全消失,最终能量在电路中损失使得电压已达不到光电导开关导通阈值,经过几个周期的减幅振荡后,开关断开,输出电脉冲波形紊乱,如图5所示。

2.3 光触发微带线间隙开关导通

光触发诱导微带线间隙时等效电路图如9(c)所示。在激光照射微带线间隙时,可产生放电等离子体,这种等离子体以流注的形式向前发展,在放电间隙中起触发放电的作用。根据前述汤森―流注理论,如电子雪崩发展成流注需要的时间就是击穿时延τd时,可用下式表示[22]:

(3)

式中:d是间隙长度,Vs是流注速度,n0是阴极表面上的电子数,即初始电子数,ne是离开阴极处的电子数。

光诱导微带线间隙导通时,微带线间隙相当于一个时变电阻,这样随GaAs芯片内电阻率的变化,两者存在动态分压关系。开关输出为线性波形如图6所示。由于激光没有触发SI-GaAs芯片,使得光电导开关达不到进入非线性的条件,芯片击穿所需偏压较高。激光聚焦后照射到空气隙上,GaAs芯片上无激光触发,这样就使得芯片导通时延较长,脉冲上升沿1 ns左右大于图4所示200 ps的脉冲上升沿。

3 结论

本文分别用空气击穿的流注模型和微带线等效电容等机理对自行研制的全固态同轴―微带型横向SI-GaAs光电导开关出现微带线不连续现象时的传输特性进行了研究,实验分析了微带线截断、间隙等不连续在开关不同位置以及触发方式不同时,会引起整个开关电路性能和芯片内部载流子传输特性的显著变化,在这些不连续效应和微带间隙击穿的相互作用下抑制了光电导开关Lock-on现象的发生。本文的研究为今后设计光电导开关结构,优化开关性能提供了可行的解决方案。

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TheEffectofMicroStriplineDiscontinuityonPhotoconductiveSwitchCharacteristic*

MAXiangrong*,HUATao,SONGYufei

(School of Communication Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

The transmission characteristic of all-solid state coaxial-microstrip type semi-insulating(SI)GaAs photoconductive switch was investigated experimentally. The experiment result showed that the ordinary switch would come into non-linear(Lock-on)mode as the bias voltage reached certain threshold. Under the same experimental condition,electric pulse waveform did not appear Lock-on phenomenon when microwave transmission lines were discontinuous. The switch performance change and suppressing Lock-on effect,which attributed to discontinuous microwave transmission lines,were analyzed based on streamer model of air breakdown and microwave transmission line of equivalent capacitance respectively.

SI-GaAs photoconductive switch;micro stripline discontinuity;discontinuity;gap;breakdown

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.012

项目来源:南京工程学院引进人才科研启动基金项目(YKJ201418);南京工程学院校级基金项目(CKJB201504,QKJB201406)

2016-10-11修改日期2016-11-29

TN36

A

1005-9490(2017)06-1387-06

马湘蓉(1972-),女,博士,副教授,研究方向为超快半导体开关及电力电子器件,mxr310@163.com;

花涛(1985-),男,博士,副教授,研究方向为太赫兹通信与技术,huataonju@163.com。

宋宇飞(1985-),男,博士,副教授,研究方向为太赫兹通信与技术,huataonju@163.com。