砷化镓光导开关中电流丝875 nm辐射的光致电离效应

郑　理，刘　鸿

(1.成都工业学院　机械工程学院，成都　611730；2. 成都学院　电子信息工程学院，成都　610106)

砷化镓光导开关中电流丝875 nm辐射的光致电离效应

郑理1*，刘鸿2

(1.成都工业学院机械工程学院，成都611730；2. 成都学院电子信息工程学院，成都610106)

摘要：研究高增益砷化镓光导开关中875 nm自发辐射产生的载流子密度分布特征。导出电流丝一端875 nm辐射的光致电离效应规律，计算电流丝一端875 nm自发辐射产生的载流子密度。计算结果表明：紧邻电流丝顶部处的光生载流子密度最大。比较发现875 nm自发辐射的最大光生载流子密度大于890 nm自发辐射的最大光生载流子密度至少1个数量级，但是小于电流丝内载流子密度1～2个数量级。

关键词：光电子学；砷化镓光导开关；电流丝；光生载流子密度

光导开关(Photoconductive Semiconductor Switchs，PCSS)在脉冲产生领域具有重要的理论意义和实用价值[1-12]。高增益GaAs PCSS的锁定(lock-on)效应与电流丝(即流注)的出现密切相关，载流子复合的自发辐射和局域雪崩载流子产生是电流丝快速形成的2个主要机制[1-20]，电流丝的875 nm自发辐射的拟合辐射复合系数为η(885) ≈ 0.115 4[12-13]，其他辐射波长的计算结果表明紧邻电流丝顶部的光生载流子密度最大[12,14]，890 nm自发辐射产生的最大载流子密度比电流丝内平均非平衡载流子密度至少小3个数量级[14]。在此基础上，本文分析了砷化镓光导开关中电流丝顶部875 nm自发辐射产生的载流子密度分布特征，揭示了875 nm辐射产生的最大载流子密度比自发辐射强度最大的890 nm辐射产生的最大载流子密度要大1～2个数量级，阐明了波长等于和小于875 nm自发辐射在产生非平衡载流子密度方面具有主导作用。

1875 nm自发辐射的光生载流子密度分布

设高增益砷化镓光导开关中生长电流丝是圆柱形，电流丝内为电中性的高密度电子-空穴等离子体。考虑圆柱体电流丝的轴线与电场方向平行，半径为r0、长度为d，电流丝的体积为VT= πr02d，电流丝的表面积为ST= 2πr02+ 2πr0d，电流丝顶端的面积为Stip=πr02，η875为波长875 nm自发辐射的辐射复合系数，n为电流丝内非平衡载流子的平均密度，τh为载流子的复合时间，电流丝内电子-空穴对复合的自发辐射向各个方向是等概率的[3]，不考虑生长电流丝的自发辐射在半绝缘砷化镓材料界面的反射率，则从电流丝顶部发出的波长为875 nm的光子在单位时间内进入紧邻电流丝顶部的区域内的光子数△N875T为[12]：

(1)

(2)

设波长875 nm的自发辐射在吸收区域的光生载流子密度为neh(n,Z)， 则

(3)

式(3)揭示了紧邻电流丝顶部的光生载流子密度与电流丝内平均非平衡载流子密度、电流丝的半径和长度、辐射复合系数、载流子的复合时间、光吸收系数、光吸收区域的长度等参量密切相关。为了比较波长875 nm的自发辐射和波长890 nm的自发辐射的光致电离效应，可以导出波长890 nm的自发辐射在吸收区域的光生载流子密度公式为[14]

(4)

将电流丝半径r0= 100 μm，长度d=75 μm，非平衡载流子密度n= 3×1018cm-3，载流子寿命τh= 100 ps[21]代入式(3)和(4)；同时分别将光吸收系数α(875) ≈ 8 × 103cm-1[22]和辐射复合系数η875= 0.095 8[12-13]代入式(3)，将α(890) ≈ 1×102

cm-1[22]和η890= 0.13[12-13]代入式(4)，计算波长875 nm和波长890 nm的自发辐射在吸收区域Z= 0+～5 μm范围产生的载流子密度分布如图1所示。在图1中：上面一条曲线是电流丝的875 nm的自发辐射的光生载流子密度分布曲线，下面一条曲线是电流丝的890 nm的自发辐射的光生载流子密度分布曲线。

图1　不同波长自发辐射的光生载流子密度分布规律

2讨论

图1表明：与其他波长的自发辐射的光生载流子密度分布类似，波长875 nm的自发辐射的光生载流子密度分布表明：紧邻电流丝顶部的光生载流子密度最大，最大光生载流子密度大约为4.93× 1016cm-3，与电流丝内平均非平衡载流子密度n= 3× 1018cm-3比较，小1～2个数量级。电流丝的波长890 nm的自发辐射强度虽然最强，但是在光致电离效应方面，这里计算产生的最大光生载流子密度大约为1.67× 1015cm-3，比电流丝内平均非平衡载流子密度n= 3× 1018cm-3至少小3个数量级。比较可知：电流丝875 nm的自发辐射产生的最大电子-空穴对密度比890 nm自发辐射产生的最大电子-空穴对密度大1～2个数量级，在光致电离效应方面875 nm自发辐射具有更大作用。主要原因是砷化镓材料对波长较小的光的吸收系数较大。

3结语

高增益砷化镓光导开关中电流丝的自发辐射的光致电离效应是其物理机理的主要组成部分，这个工作研究了波长875 nm自发辐射产生的非平衡载流子密度分布，并且与波长890 nm自发辐射的光致电离效应进行了比较。结果表明：虽然875 nm自发辐射产生的最大载流子密度比电流丝内平均非平衡载流子密度小1～2个数量级，但是比890 nm自发辐射产生的最大载流子密度大1～2个数量级，表明波长等于和小于875 nm自发辐射在产生非平衡载流子方面具有重要意义。

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Photoionization Effects of 875 nm Radiation from the Current Filaments in Gallium Arsenide Photoconductive Semiconductor Switches

ZHENGLi1*,LIUHong2

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

Abstract:The density distribution characteristics of the carrier of 875 nm radiation from spontaneous emission in high gain GaAs photoconductive semiconductor switches (PCSS) were researched. The photoionization effect law of 875 nm radiation from current filament was derived. The photo-generated carrier density ahead of the tip of the filament was computed. The results showed that the maximum density of photo-generated carrier took place at the tip of the filament. It was discovered that the maximum carrier density of 875 nm radiation was at least one order of magnitude larger than the maximum density of the carrier of 890 nm radiation, and 1-2 orders of magnitude lower than the average carrier density inside the filament.

Key words:Optoelectronics; GaAs photoconductive semiconductor switch (PCSS); filament; photogenerated carrier density

DOI:10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.02.017

收稿日期：2015-12-15

作者简介：郑理(1969— )，女(汉族)，四川成都人，副教授，硕士，研究方向：机电控制、数控技术、光电控制，通信作者邮箱：runfx2007@163.com。

中图分类号：TN365

文献标志码：A

文章编号：2095-5383(2016)02-0061-02

刘鸿(1961— )，男(汉族)，重庆人，教授，博士，研究方向：无线电物理、光电子学。