砷化镓光导开关中流注自发辐射实验的理论分析

刘 鸿，郑 理，杨洪军，杨 维，郑勇林

(1.成都大学电子信息工程学院，四川成都 610106；2.成都工业学院机电工程系，四川成都 611730)

砷化镓光导开关中流注自发辐射实验的理论分析

刘 鸿1，郑 理2，杨洪军1，杨 维1，郑勇林1

(1.成都大学电子信息工程学院，四川成都 610106；2.成都工业学院机电工程系，四川成都 611730)

分析了高增益砷化镓光导开关中流注(即电流丝)一端不同辐射波长的自发辐射实验现象，导出了不同辐射波长的辐射复合系数之间的关系，拓展了电流丝的自发辐射随电流丝电流变化的数学模型.计算结果表明，丝电流相同时流注自发辐射的其他峰值强度略小于890 nm自发辐射强度.

砷化镓光导开关；电流丝；辐射复合系数；辐射强度

0 引 言

光导开关(Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS)较之常规的脉冲产生器件具有独特的优势，高增益砷化镓光导开关的物理机理对于光导器件的性能设计和工程应用具有重要意义[1-15]，研究高增益砷化镓光导开关的物理机理，必须研究流注，即电流丝，在其顶部的辐射效应.在前期工作中，本课题组已经导出了砷化镓光导开关流注顶部的单色光(890 nm)自发辐射公式[16].但砷化镓材料对890 nm辐射波长的吸收系数较小，吸收长度≥50μm，此意味着890 nm辐射波长的光致电离效应有限.由于砷化镓材料对辐射波长较小的自发辐射的吸收系数较大，因此有必要进一步研究辐射波长λ＜890 nm的自发辐射强度.

本研究导出了不同辐射波长的辐射复合系数之间的关系，拓展了流注自发辐射随丝电流变化的数学模型，计算了辐射波长λ＜890 nm的另外3个自发辐射峰值强度以及典型的辐射波长λ=875 nm的自发辐射强度.研究发现，辐射波长λ＜890 nm的自发辐射强度在光致电离效应中具有重要的意义.

1 实验现象分析

高增益砷化镓光导开关中流注自发辐射的实验研究表明[5]:在半绝缘砷化镓光导开关中，流注顶部的自发辐射的相对发光强度 Iλ(任意单位)随辐射波长λ的不同而变化，大约从辐射波长876 nm至890 nm的15 nm波长间隔之间存在4个相对发光强度峰值，并随波长增加依序一个比一个较高，辐射波长大约为890 nm的辐射强度峰值最大，另外3个辐射强度峰值对应的辐射波长分别大约为，λ=885 nm，λ=881 nm和λ=876 nm.上述4个辐射强度峰值以及辐射波长λ=875 nm的辐射强度之间的比值[5]大约为，

2 基本理论

[16]中的公式(2)和(3)可以得到从流注发出的波长为λ的光子在单位时间通过单位面积进入紧邻流注顶部的区域内的光子数为，

式中，ΔNλT为流注顶部发出的波长为λ的光子在单位时间内进入紧邻流注顶部区域内的光子数，Stip为圆柱形流注顶部的面积，R为半绝缘砷化镓材料的反射率，ST为流注的表面积，ηλ为辐射波长λ的复合辐射系数，n为流注内的平均载流子密度，τh为空穴的复合时间，VT为流注的体积，ΔNλ为流注区域单位时间辐射复合产生的波长为λ的光子数.

设辐射波长λ的辐射强度为Iλ，则由以光子数计算的光强度的基本公式写为，

式中，h为普朗克常数，c为光速.

设辐射波长λl的辐射强度为Iλ1、光子数为ΔNλ1，辐射波长λ2的辐射强度为 Iλ2，光子数为ΔNλ2，则由式(3)得，

考虑辐射波长λ的光子的辐射复合系数ηλ为流柱区域单位时间辐射复合产生的波长为λ的光子数ΔNλ与单位时间电子—空穴对复合总数ΔNR的比率[16]，

则式(4)右边分子分母同除以ΔNR变为，

由此得到不同辐射波长的辐射复合系数之间的关系，

目前，通过实验已能够测量某一辐射波长及其相应的辐射强度.已知辐射波长λ=890 nm的辐射复合系数η890≈0.13[16]，则由式(1)和(7)可以分别算得另外4个辐射波长对应的复合辐射系数:η885≈0.1269，η881≈0.1217，η876≈0.1163，η875≈0.1054.

由此，可将参考文献[16]的公式(7)改写为，

式中，PλT是在紧邻流注顶部区域内测量的辐射波长为λ的辐射功率，e为电子的电量，u为载流子漂移速度，Strans为圆柱形流注的横切面积，I为电流丝电流，Ith为流注顶部产生辐射的丝电流阈值，Pλ0是对应于丝电流阈值Ith时流注顶部辐射波长为λ的辐射功率，一般情况 Pλ 0=0.

在式(8)中分别代入不同波长及其相应的辐射复合系数，就可以计算出各辐射波长的辐射强度随丝电流的变化规律.为了便于与报道的计算结果进行比较[16]，式(8)中各参数取值分别为:R=0.3，τh=100 ps，h=6.625×10-34J◦s，c=3×108m◦s-1，e=1.6×10-19C，u=ud=107cm/s(取 u等于GaAs中电子的高场饱和漂移速度ud)，StipT=Stip=Strans，VT=628 000μm3(考虑流注为圆柱体，取2r0=40μm，L=0.5 mm)，ST=65 312μm2，Ith=5A，P0=0.计算结果如图1所示.

图1 理论计算1 ns的最大光输出能量随丝电流的变化关系曲线图

由图1可知，对于同一丝电流I，5条辐射强度图线从上往下分别对应λ=890 nm、λ=885 nm、λ=881 nm、λ=876 nm和λ=875 nm；辐射波长λ=885 nm的辐射强度图线紧靠着λ=890 nm的辐射强度图线，难以分辨；辐射波长λ=875 nm的辐射强度图线在最下面，偏离λ=890 nm的辐射强度图线的距离随丝电流增加而增大.

3 结 论

高增益砷化镓光导开关中电流丝的自发辐射具有重要理论意义.分析高增益砷化镓光导开关的物理机理，必须研究流注的自发辐射规律.本工作进一步研究了辐射波长λ＜890 nm、特别是典型的辐射波长λ=875 nm的自发辐射强度问题，此为进一步研究光导开关的自激励源(电流丝)的光致电离效应奠定了坚实的基础.

:

[1]Mazzola M S，Schoenbach K H，Lakdawala V K，et al.Infrared Quenching ofConductivity at High Electric Fieldsin a Bulk，Copper-compensated，Optically Activated GaAs Wwitch[J].IEEE，Transactions on Electron Devices，1990 ，37(12):2499-2505.

[2]Schoenbach K H ，Kenney J S，Peterkin F E ，et al.Temporal Development of Electric Field Structures in Photoconductive GaAs Wwitches[J].Applied Physics Letters，1993，63(15):2100-2102.

[3]Loubriel G M，Zutavern F J，HjalmarsonH P，et al.Measurement of the Velocity of Current Filaments in Optically Triggered，High Gain GaAs Wwitches[J].Journal Applied Physics Letters，1994 ，64(24):3323-3325.

[4]Stout P J，Kushner M J.Modeling of High Power Semiconductor Switches Operated in the Nonlinear Mode[J].Applied Physics，1996，79(4):2084-2090.

[5]Zutavern F J，Baca A G ，Chow W W ，et al.SemiconductorLasers from Photoconductive Wwitch Filaments[C]//IEEE Pulsed Power Plasma Science Conf.Las Vegas:IEEE Press，2001:170-173.

[6]Kayasit P，Joshi R P，Islam N，et al.Transient and Steady State Simulationsof Internal Temperature Profiles in High-power Semiinsulating GaAs Photoconductive Switches[J].Journal Applied Physics，2001，89(2):1411-1417.

[7]Zutavern F J，Glover S F，ReedK W ，et al.Fiber-optically Controlled Pulsed Power Switches[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2008 ，36(5):2533-2540.

[8]刘鸿，阮成礼.本征砷化镓光导开关中的流注模型[J].科学通报，2008，53(18):2181-2185.

[9]刘鸿，阮成礼，郑理.砷化镓光导开关的畴电子崩理论分析[J].科学通报，2011，56(9):679-684.

[10]Yang H C ，Cui H J，Sun Y Q，et al.High Power，Longevity Gallium Arsenide Photoconductive Semiconductor Switches[J].Chinese Science Bull，2010 ，55(13):1331-1337.

[11]刘鸿.非线性光导开关中的高场畴机制[J].成都大学学报(自科版)，2007，26(3)，228-231.

[12]Liu Hong，Ruan Chengli.“S-shaped”Negative Differential Conductivity of High GainGaAs Photoconductive Switches[C]//IEEE Lasers&ElectroOptics&ThePacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics，2009.CLEO/PACIFIC RIM apos；09.Shanghai，China:IEEE Press，2009:1-2.

[13]Liu Hong，Ruan Chengli.Streamer in High Gain GaAs Photoconductive SemiconductorSwitches[C]//17th IEEE International Pulsed Power Conference(PPC2009).Washington，USA:IEEE Press，2010:663-668.

[14]刘鸿，阮成礼.高增益砷化镓光导开关中的光致电离效应[J].光学学报，2009，29(2):496-499.

[15]刘鸿，阮成礼.高增益砷化镓光导开关中的的特征量分析[J].中国激光，2010，37(2):394-397.

[16]刘鸿，郑理，程浩，等.砷化镓光导开关中流注辐射实验理论分析[J].成都大学学报(自科版)，2012，31(2):133-135.

Theoretical Analysis of Streamer Radiation in GaAs Photoconductive Semiconductor Switches(PCSS)

LIU Hong1，ZHENGLi2，YANGHongjun1，YANGWei1，ZHENGYonglin1

(1.School of Electronic Information Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China；2.Department of Electrical and Mechanical Engineering，Chengdu Technological University，Chengdu 611730，China)

Abstract:The spontaneous radiative phenomenon of different wavelength of radiation at one end of a stre amer(i.e.current filament)in high gain GaAs photoconductive semiconductor switches(PCSS)was ana lyzed.The relationship among radiative recombination coefficients of different radiative wavelengths was in duced.And the mathematical model of spontaneous radiation of current filament with the change of current filament was expanded.The results show that the other intensity peaks of spontaneous radiation of the stre amer are slightly less than the spontaneous radiation intensity of 890nm when the filament currents are the same.

Key words:GaAs photoconductive semiconductor switch(PCSS)；current filament；radiative recombination coefficient；radiative intensity

TN365

A

1004-5422(2012)04-0324-03

2012-09-10.

四川省科技厅基础应用研究计划(2010JY0160)资助项目.

刘 鸿(1961—)，男，博士，副教授，从事光电子学与光导开关技术研究.