线性模式下GaAs光电导开关的时间抖动特性∗

桂淮濛 施卫

1)(陕西工业职业技术学院信息工程学院,咸阳 712000)

2)(西安理工大学理学院,西安 710048)

1 引 言

GaAs光电导开关(photoconductive semiconductor switch,PCSS)是超快脉冲激光器与半绝缘光电半导体GaAs相结合的新型器件[1−3].相比于传统的开关,如绝缘栅型双极型晶体管[4]、可控硅[5]等,GaAs PCSS的时间抖动可以比传统器件少几个数量级以上[6].此外,GaAs PCSS还具有响应速度快、重复频率高、触发抖动小和寄生电感电容小等特点[7−10],因此,GaAs PCSS已广泛地应用于脉冲功率技术、太赫兹技术、超高速电子学和宽带雷达等领域[11−13].使用高功率的激光脉冲触发时,GaAs PCSS的闭合时间约为几十皮秒,这就使相干合成多个源及转向波束成为可能.Eric和Chi[14]通过三路并联激光触发天线阵列,在辐射场中将功率结合起来,电磁辐射波束转向控制,以形成可变的辐射波束,通过同时对所有阵列元件点火或者相继把阵列元件弄成波状点火,从而以极高的脉冲重复频率形成短脉冲串.为了获得更高的性能,每个PCSS需具有低抖动[15].尤其在超快过程和超短脉冲已达到飞秒数量级,对开关时间抖动特性的研究是必要的.

2000年,美国圣地亚实验室Gaudet等[16]研究指出,使用上升时间快、能量高的激光触发GaAs PCSS时,开关的时间抖动会减小,但是并没有定量地指出激光上升时间及能量对GaAs PCSS时间抖动的影响.在不同的外加偏置电压和触发光特性下,GaAs PCSS会工作在线性模式或非线性模式.线性模式下开关每吸收一个光子最多只能产生一个电子-空穴对,即不存在载流子的倍增效应[17].当外加偏置电场与触发光能量都高于某一阈值时,GaAs PCSS将进入高倍增、持续导通状态的非线性模式(也称为高倍增模式或lock-on效应)[18].这两种工作模式的导通机理不同.相比于非线性工作模式而言,当GaAs PCSS工作在线性模式时会获得更小的时间抖动,更适用于对开关时间抖动要求极高的领域.

因此,本文针对工作在线性模式下GaAs PCSS时间抖动特性展开研究.实验中,在激光能量相等的条件下,外加偏置电压从100 V增加到1000 V,步长为100 V时,使用不同脉冲宽度的激光触发GaAs PCSS.通过计算及理论分析得知,在不同的外加偏置电压下,随着触发激光脉冲宽度的减小,开关的时间抖动也随之减小.同时指出,触发激光脉冲宽度是决定开关时间抖动量级的关键因素.

2 实 验

本实验用到的PCSS结构都是横向结构,如图1所示.PCSS的芯片材料选用的是半绝缘GaAs,其暗态电阻大于5×107Ω·cm,禁带宽度为1.43 eV,电子的迁移率大于5000 cm2/(V·s),载流子浓度为1014cm−3,载流子寿命为几纳秒,芯片材料的相对介电常数为12.9,其本征击穿场强可达250 kV/cm.半绝缘GaAs芯片为8.0 mm(宽)×10.0 mm(长)×0.6 mm(厚度),开关芯片表面用多层透明有机硅凝胶做绝缘保护,防止强场下沿面闪络的发生,此透明硅胶对触发激光几乎不吸收.半绝缘GaAs PCSS电极采用刻蚀方法制作,通过优化设计来使电场更均匀,电极为135◦直角,尺寸为6.0 mm×3.0 mm,其圆角半径为1.1 mm,电极是用Au/Ge/Ni合金制作的,与GaAs PCSS芯片材料形成欧姆接触.

图1 GaAs PCSS结构Fig.1.Structure of GaAs PCSS.

本实验的测试电路如图2所示.激光器(型号为Dawa-350)脉宽可调,其输出波形为高斯分布.利用正交光栅将触发光脉冲分成完全相同的两束光,用于同时触发两路并联的GaAs PCSS.在每一个支路中,直流高压电源正极连接阻值为10 MΩ的限流电阻,为0.53 nF的电容器进行充电,电容器正极连接GaAs PCSS的一端,另一端通过特性阻抗为50 Ω的高速传输线耦合接入衰减器,信号通过衰减器衰减后再经过传输线接入到示波器进行测量.示波器测量到PCSS导通瞬间的脉冲信号,通过计算并乘以衰减器的衰减倍数,就可以得到开关输出电流的时域波形.

图2 GaAs PCSS时间抖动测试图Fig.2.Test circuit of time jitter of GaAs PCSS.

3 测量结果

当波长为1064 nm、脉宽为13.8 ns、能量为0.35 mJ的激光同时触发两路并联的间隙为3 mm GaAs PCSS.当外加偏置电压为600 V时,输出的电脉冲(时间基点选为零,触发电平为电压分度格的50%)如图3所示.从图3内插图可以看出,输出波形重叠性好.将两路波形的上升沿放大后,可以看出输出波形在其上升沿50%处是存在时间差的.

图3 偏置电压为0.6 kV下PCSSs输出的波形(插图为完整波形图)Fig.3.Output waveforms of PCSSs when bias voltage is 0.6 kV(Insert is whole output waveform).

在触发激光脉冲波长为1064 nm,能量为0.35 mJ,脉冲宽度分别为30,22,16和11 ns条件下,外加偏置电压从100 V增加到1000 V,步长为100 V时测量开关的时间抖动,计算结果如图4所示[19].从图4可以看出,在每一个确定的外加偏置电压条件下,随着触发激光脉冲宽度的减小,GaAs PCSS的时间抖动会随之减小.

图4 不同偏置电压下,激光脉冲宽度与GaAs PCSS时间抖动示意图[19]Fig.4.Relationship between the laser pulse width and the time jitter of GaAs PCSS under different bias voltage[19].

4 讨 论

在载流子输运过程中,由于热运动的无规则性,载流子的速度及其分布将会出现起伏,从而产生电流的涨落.根据统计学理论,当PCSS多次导通时,其输出电流的涨落值服从高斯正态分布,其表达式为[20−22]

式中∆I为输出电流的涨落,∆IRMS为电流涨落的标准偏差.

式中S为输出电流在其上升沿50%处的斜率,∆t为∆I所对应的时间差值.

根据(1)和(2)式可以得出∆t的概率分布函数,其表达式为

开关的时间抖动是指开关多次导通时间的标准偏差,其表达式为

式中∆tRMS为开关时间抖动.当开关工作在线性模式时,开关每吸收一个光子最多产生一个电子空穴对,则电流的表达式为

其中I为输出电流,e为电子电量,N为载流子数目,vi为载流子速度.

由于载流子在运动过程中存在散射和复合过程,导致其速度和数目均不是固定不变,而是存在涨落.因此,(5)式可改写成如下形式:

式中为载流子的平均速度,为载流子的平均数目.

输出电流涨落的表达式为

由于只分析激光脉冲宽度对GaAs PCSS时间抖动的影响,而激光脉冲宽度的改变不会影响载流子速度的涨落.此处将忽略载流子速度涨落对GaAs PCSS时间抖动的影响.根据(7)式可知,电流涨落正比于载流子数目的涨落值.当激光脉冲宽度减小时,其上升时间也会减小,则在单位时间内产生的载流子数目会增加.当GaAs PCSS工作在线性模式时,载流子不存在倍增过程,全部来自于光生载流子.因此载流子数目的涨落正比于触发光能量的涨落.实验中,记录了每次触发光能量的大小,经计算得到能量的偏差约为8%.即输出电流涨落的大小是基本一致的.当激光脉冲宽度减小时,输出电脉冲在其上升沿50%处的斜率会增加.根据(4)式可知,当激光脉冲宽度减小时,开关的时间抖动也会相应减小.

从(4)式可以看出,输出电脉冲上升沿的斜率是影响开关时间抖动的重要因素.当开关工作在线性模式时,触发光特性是影响开关输出电脉冲上升时间的关键因素.从之前的实验结果(图4)可知,当使用脉宽为纳秒量级的激光器触发GaAs PCSS时,得到开关时间抖动在纳秒或亚纳秒量级.当使用脉宽为500 ps的激光器时,得到开关时间抖动为14.41 ps[19].当使用脉宽为25 fs的激光器时,得到开关时间抖动为30 fs[23].若光脉冲的宽度减小一个数量级,则其上升沿也会减小一个数量级.由于光脉冲和输出电脉冲的波形相似,这就使得在电脉冲上升沿50%处的斜率减小一个数量级,因此开关的时间抖动也会相应减小.从以上分析可以看出,激光脉冲宽度是影响开关时间抖动的主要因素,甚至决定了时间抖动的量级.

5 结 论

本文根据GaAs PCSS应用在精密同步控制系统中要求实现低抖动的应用需求,研究了在不同的外加偏置电压下,改变触发激光脉冲宽度对线性模式下GaAs PCSS时间抖动的影响.通过建立电脉冲的概率分布和时间与电脉冲波形的对应关系,结合载流子的输运过程,对GaAs PCSS时间抖动进行了定性的理论推导.改变外加偏置电压及触发激光脉冲宽度,获得开关抖动测量值,并根据实验值的对比分析,得出随着触发激光脉冲宽度的减小,开关时间抖动也随之减小,这与理论分析结构一致.该研究对进一步提高GaAs PCSS性能具有一定的指导意义,同时对GaAs PCSS更好地应用在精密同步控制系统具有一定的推进作用.