光導開關

光導開關,全稱為光電導半導體開關(Photoconductive semiconductor switches-PCSS),是利用雷射脈衝觸發光導半導體的固體開關。自1975年Auston發明光導開關以來,由於光導開關具有功率密度高(MW量級)、回響速度快(ps量級)、觸發抖動低(ps量級)、抗電磁干擾能力強、體積小、易集成等優點,使之自1975年Auston發明後,在大電流點火裝置、拒止武器和高功率微波系統、精密時間同步、THz技術、瞬態測試、衝激雷達、電磁干擾與攻擊系統等領域有廣泛的套用前景 。

近年來,利用光導開關產生高峰值功率、窄脈衝、低觸發抖動、較高重頻的電脈衝的優點,使得研製體積小、重量輕,具有低截獲機率、高解析度、強的抗電磁干擾和反隱身能力,集近距離電磁干擾與中遠距離目標探測於一體的光控陣列有源超寬頻雷達成為可能。

矽是第一代半導體光電導材料,它的載流子壽命較長(微秒到毫秒量級),因此適合在納秒雷射脈衝觸發下產生較寬的電脈衝。砷化鎵是第二代半導體光電導材料,它具有極快的電子遷移速率,是做高壓超快材料的首選,而GaAs的製作工藝已十分成熟,是目前最普遍採用的開關材料。碳化矽是第三代光導半導體材料,它在高壓和高功率套用方面優於砷化鎵,由於該材料的製作工藝較為複雜,材料價格昂貴,碳化矽光導開關還正處於研發階段 。

光導開關具有線性和非線性兩種工作模式。當光導開關被偏置在較低的電場條件下,光電導材料每吸收一個光子產生一個電子空穴對,開關材料的電導率和輸出電脈衝的幅度都與光脈衝的強度呈線性關係;當光脈衝熄滅後,光導開關將很快恢復到其原來的高阻暗態;輸出電脈衝的上升時間主要取決於激勵光脈衝的寬度,而下降時間則主要取決於載流子的壽命,這就是所謂的線性工作模式。當光導開關的偏置電場和觸發光脈衝能量都達到一定的閾值後,一旦光導開關導通,即使光脈衝熄滅,開關也不會立即恢復到原高阻狀態,只要能維持供給開關的能量,開關就能保持其導通;此時,開關內的平均電場維持在某一個值上,該值與外電路所加的偏置電壓無關,與觸發光的能量也無關,但與材料本身的性質有密切的關係,並將這種現象稱之為“鎖定現象”,即所謂的非線性工作模式。

常見的光導開關電極結構包括同面結構、異面結構和體結構三種 。

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