固態(tài)平板Blumlein線中的GaAs光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通電阻實驗

諶 怡，王 衛(wèi)，劉 毅，夏連勝，張 篁，朱 雋，石金水，章林文

(中國工程物理研究院流體物理研究所脈沖功率科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，四川綿陽621900)

固態(tài)平板Blumlein線中的GaAs光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通電阻實驗

諶 怡，王 衛(wèi)，劉 毅，夏連勝，張 篁，朱 雋，石金水，章林文

(中國工程物理研究院流體物理研究所脈沖功率科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，四川綿陽621900)

為了研制緊湊型脈沖功率系統(tǒng)，開展了基于固態(tài)Blumlein線的GaAs光導(dǎo)開關(guān)(PCSS)導(dǎo)通電阻的初步研究實驗。結(jié)合2mm厚固態(tài)平板Blumlein線，利用高功率脈沖激光二極管觸發(fā)GaAs光導(dǎo)開關(guān)，在脈沖偏置電壓下，GaAs光導(dǎo)開關(guān)非線性導(dǎo)通，經(jīng)Blumlein線輸出22.3 kV高壓脈沖至負(fù)載，滿足緊湊型脈沖功率系統(tǒng)的設(shè)計要求。通過偏置電壓、輸出電壓以及Blumlein線阻抗估算光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻約4.1Ω。另外，研究了GaAs光導(dǎo)開關(guān)非線性導(dǎo)通模式下的導(dǎo)通電阻與偏置電壓和激光能量的關(guān)系。

脈沖功率技術(shù);固態(tài)平板Blumlein線;GaAs光導(dǎo)開關(guān);導(dǎo)通電阻

1 引言

在脈沖功率領(lǐng)域，光導(dǎo)開關(guān)(PCSS)在近幾十年來得到了長足的發(fā)展［1-6］，這是因為光導(dǎo)開關(guān)具有低抖動、快速響應(yīng)、高重復(fù)頻率以及較小尺寸和體積等優(yōu)點。根據(jù)光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通特性，可以將開關(guān)分為線性開關(guān)和非線性開關(guān)。在線性模式下，一個適當(dāng)波長的光子能夠激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生一個電子-空穴對。在非線性模式下，一個光子能夠激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電子，通過電子雪崩過程，產(chǎn)生更多的載流子。從眾多的光導(dǎo)開關(guān)報道中發(fā)現(xiàn)，這些研究僅局限于小樣品實驗研究或理論研究，將其大規(guī)模應(yīng)用到緊湊型固態(tài)脈沖功率系統(tǒng)中還存在較大差距。目前，光導(dǎo)開關(guān)正朝著高功率、高電壓、大電流等方向發(fā)展［7，8］，對于光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻研究較少，在大規(guī)模工程應(yīng)用中，開關(guān)導(dǎo)通電阻個體存在較大的差異性可能帶來許多的工程問題。因此，開展光導(dǎo)開關(guān)在緊湊型固態(tài)脈沖功率系統(tǒng)中的應(yīng)用研究具有較大應(yīng)用價值。

本文研究的目的在于研制緊湊型固態(tài)脈沖功率系統(tǒng)，將其應(yīng)用于介質(zhì)壁加速器中［9-11］。介質(zhì)壁加速器是一種基于固態(tài)脈沖形成線技術(shù)、光導(dǎo)開關(guān)技術(shù)以及微堆絕緣技術(shù)［12］為一體的具有高加速梯度場強的加速器。要設(shè)計具有緊湊型高加速梯度的加速器，同樣需要設(shè)計具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕便的脈沖功率系統(tǒng)。因此，基于光導(dǎo)開關(guān)技術(shù)的固態(tài)Blumlein線是研制緊湊型固態(tài)脈沖功率的最佳選擇。本文重點研究了GaAs光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通特性以及影響光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通電阻的主要因素。

2 實驗裝置

為了開展GaAs光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通特性研究，利用固態(tài)傳輸線和光導(dǎo)開關(guān)搭建了固態(tài)Blumlein線實驗裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。實驗使用的單根傳輸線的電極尺寸為15mm×4mm×1mm，使用的光導(dǎo)開關(guān)為異面結(jié)構(gòu)的GaAs光導(dǎo)開關(guān)，采用高功率脈沖激光二極管(Laser Diode，LD)觸發(fā)光導(dǎo)開關(guān)。光導(dǎo)開關(guān)的尺寸為12mm×10mm×0.6mm，電極間隙為6mm。激光二極管驅(qū)動電路(激光二極管電源和觸發(fā)系統(tǒng))使激光二極管產(chǎn)生波長約為905nm，脈寬約為35ns的紅外激光，紅外激光照射到GaAs光導(dǎo)開關(guān)表面，在GaAs材料中產(chǎn)生大量的電子-空穴對，在脈沖偏壓的作用下，載流子定向移動引起開關(guān)非線性導(dǎo)通，使在脈沖高壓下完成充電的2mm厚固態(tài)平板Blumlein線開始放電，最終在負(fù)載R上得到半高寬理論值為5.2ns的高壓脈沖，高壓脈沖經(jīng)衰減器和電纜進入示波器。

圖1 實驗裝置示意圖Fig．1 Schematic diagram of experimental setup

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻

理論上，Blumlein線阻抗與負(fù)載匹配時，對Blumlein線充電U0，其輸出應(yīng)為－U0，但實際上輸出往往達不到100%的放電效率，這主要是因為開關(guān)在導(dǎo)通時存在一定的導(dǎo)通電阻，放電時一部分電壓被分壓到該電阻上。若開關(guān)的導(dǎo)通電阻與Blumlein線的特征阻抗相等，脈沖功率系統(tǒng)的放電效率僅50%。因此，對于較低特征阻抗的傳輸線需要避免使用較大導(dǎo)通電阻的開關(guān)。

在固態(tài)平板Blumelin線實驗中使用的GaAs光導(dǎo)開關(guān)在導(dǎo)通時同樣存在開關(guān)電阻，因此可以根據(jù)輸入輸出電壓值來簡單估算開關(guān)的導(dǎo)通電阻，通過測量偏置電壓ui與輸出電壓uo的幅值，再根據(jù)單根平板傳輸線特征阻抗Z，負(fù)載電阻R可以計算開關(guān)的導(dǎo)通電阻r

文獻［7］表明:光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻與開關(guān)偏置電壓以及激光能量ELaser密切相關(guān)，隨著偏置電場和激光能量的增加，光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻減小。因此，通過升高偏置電壓和增大激光能量來降低開關(guān)的導(dǎo)通電阻被認(rèn)為是可選的兩種方法。圖2中，當(dāng)偏置電壓從15kV提高到了22kV，多次平均導(dǎo)通電阻從12Ω降低到了7Ω左右，進一步提高偏置電壓，光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通電阻降低不明顯，可認(rèn)為此電壓為GaAs光導(dǎo)開關(guān)的飽和電壓。因此，當(dāng)偏置電壓高于GaAs光導(dǎo)開關(guān)的非線性閾值電壓且低于開關(guān)的擊穿電壓和飽和電壓時，可以通過升高偏置電壓來降低GaAs光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻。

圖2 GaAs光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通電阻與偏置電壓的關(guān)系Fig．2 Relationship between GaAs PCSS’s on-resistance and bias voltage

當(dāng)實驗用的高功率脈沖激光二極管工作電流ILD變大時，激光二極管輸出激光能量增大，如圖3所示。因此，通過改變電流能夠改變輸出激光能量。圖3中5種曲線是激光二極管與驅(qū)動電路采用5種不同的連接方式所得的激光二極管電流與激光能量的關(guān)系。圖4是GaAs光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻與激光二極管電流的關(guān)系(橫坐標(biāo)是激光二極管電流取樣電阻上的電壓UR)。可以看出，實驗中，激光能量對光導(dǎo)開關(guān)的影響并不十分明顯，甚至幾乎沒有變化。分析原因可能是因為GaAs光導(dǎo)開關(guān)在本文實驗條件下處于非線性導(dǎo)通，GaAs光導(dǎo)開關(guān)非線性導(dǎo)通被激發(fā)后，開關(guān)的導(dǎo)通特性僅僅取決于偏置電壓，偏置電壓維持不變，則開關(guān)持續(xù)導(dǎo)通，與激光能量無關(guān)。

圖3 激光能量與激光二極管電流的關(guān)系Fig．3 Relationship between LD current and laser energy

3.2 光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通特性

圖5是6mm GaAs光導(dǎo)開關(guān)在脈沖偏置高壓下放電時Blumlein線對負(fù)載放電的典型輸出波形。為了提高放電效率(η=uo/ui)，使負(fù)載上獲得的輸出電壓盡量高，滿足輸出電壓設(shè)計需求，采用正失配的方式提高輸出電壓。這樣設(shè)計的目的可以盡量減小被開關(guān)導(dǎo)通電阻的分壓作用，從而提高輸出電壓。當(dāng)脈沖電源充電至20.3kV時(即光導(dǎo)開關(guān)的偏置電壓20.3kV)，固態(tài)平板Blumlein線對負(fù)載放電，負(fù)載上獲得高壓脈沖半高寬為10.3ns，幅值達到了22.3kV(半高寬實驗值比理論值大主要是回來電感參數(shù)帶來的影響)。對于2mm厚固態(tài)平板Blumlein線，若按22.3kV輸出電壓來設(shè)計加速器，其加速梯度可達11.15 MV/m，遠高于傳統(tǒng)直線感應(yīng)加速器的約0.5 MV/m的加速梯度。因此，滿足緊湊型脈沖功率系統(tǒng)的設(shè)計。

圖4 光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通電阻與激光二極管電流取樣電壓的關(guān)系Fig．4 Relationship between sampling voltage of LD‘s current and PCSS’s on-resistance

圖5 6mm GaAs光導(dǎo)開關(guān)在脈沖偏置電壓下的導(dǎo)通特性Fig．5 On-stated characteristic of 6mm GaAs PCSS under pulsed bias voltage

4 結(jié)論

開展了緊湊型固態(tài)平板Blumlein線中的GaAs光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通特性實驗研究，使用高功率脈沖激光二極管觸發(fā)光導(dǎo)開關(guān)。激光二極管產(chǎn)生的905nm紅外激光能夠觸發(fā)光導(dǎo)開關(guān)，在20.3kV的偏置電壓下，固態(tài)平板Blumlein線輸出22.3kV的高壓脈沖。通過輸入輸出參數(shù)和回路參數(shù)計算GaAs光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻，結(jié)果表明光導(dǎo)開關(guān)具有4.1Ω的導(dǎo)通電阻。GaAs光導(dǎo)開關(guān)非線性導(dǎo)通時，偏置電壓的升高能夠明顯降低開關(guān)的導(dǎo)通電阻，增大激光能量不能夠明顯降低光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻。

［1］S Jayaraman，C H Lee．Observation of two-photo conductivity in GaAs with nanosecond and picoseconds light pulse［J］．Appl．Phys．Lett．，1972，20(10):392-395．

［2］C H Lee．Picoseconds optoelectronic switching and gating in silicon［J］．Appl．Phys．Lett．，1977，30(2):84-86．

［3］A Cola，F(xiàn) Quaranta，L Vasanelli，et al．Optically activated planar GaAs switches for DC applications［J］．Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，1998，418:434-439．

［4］F J Zutavern，G M Loubriei，M W O Malley，et al．Photoconductive semiconductor switch experiments for pulsed power applications［J］．IEEE Trans．on Electron Devices，1990，37(12):2472-2477．

［5］F Zhao，M Mohammad．Optically activated SiC power transistors for pulsed-power application［J］．IEEE Electron Device Letters，2010，31(10):1146-1148．

［6］袁建強，謝衛(wèi)平，周良驥，等 (Yuan Jianqiang，Xie Weiping，Zhou Liangji，et al．)．光導(dǎo)開關(guān)研究進展及其在脈沖功率技術(shù)中的應(yīng)用 (Developments and applications of photoconductive semiconductorswitchesin pulsed power technology)［J］．強激光與粒子束 (High Power Laser and Particle Beams)，2008，20(1):171-176．

［7］袁建強，李洪濤，劉宏偉，等 (Yuan Jianqiang，Li Hongtao，Liu Hongwei，et al．)．大功率光導(dǎo)開關(guān)研究(Study on high-powerphotoconductive semiconductor switches)［J］．強激光與粒子束(High Power Laser and Particle Beams)，2010，22(4):791-794．

［8］袁建強，劉宏偉，劉金峰，等 (Yuan Jianqiang，Liu Hongwei，Liu Jinfeng，et al．)．50kV半絕緣GaAs光導(dǎo)開關(guān) (50kV semi-insulating GaAs photoconductive semi conductor switch)［J］．強激光與粒子束 (High Power Laser and Particle Beams)，2009，21(5):783-786．

［9］G J Caporaso，Y J Chen，S Sampayan，et al．Status of the dielectric wall accelerator［A］．Proc．of PAC09［C］．Vancouver，Canada，2009．

［10］嚴(yán)萍，王玨，張適昌 (Yan Ping，Wang Jue，Zhang Shichang)．新概念介質(zhì)壁加速器 (Dielectric wall accelerator)［J］．電工電能新技術(shù) (Advanced Technolo-gy of Electrical Engineering and Energy)，2005，24 (4):43-46．

［11］Y J Chen，G Guethlein，G Caporaso，et al．Compact proto injector and first accelerator system test for compact proton dielectric wall cancer therapy accelerator［A］．Proc．of PAC09［C］．Vancouver，Canada，2009．

［12］任成燕，袁偉群，張東東，等 (Ren Chengyan，Yuan Weiqun，Zhang Dongdong，et al．)．高梯度絕緣子的實驗研究與性能分析 (Experimental study and performance analysis on high gradient insulator)［J］．強激光與粒子束 (High Power Laser and Particle Beams)，2012，24(3):563-566．

Experiment on GaAs PCSS’s on-resistance with solid-state planar Blumlein line

SHEN Yi，WANG Wei，LIU Yi，XIA Lian-sheng，ZHANG Huang，ZHU Jun，SHI Jin-shui，ZHANG Lin-wen

(Institute of Fluid Physics，Key Laboratory of Pulsed Power，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)

In order to develop the compact pulse power system，the experiment on GaAs photoconductive semiconductor switch(PCSS)’s on-resistance has been studied．With 2mm-thick solid-state planar Blumlein line，GaAs PCSS is triggered with the high power pulse laser diode．GaAs PCSS turned-on the lock-on mode under the pulsed bias voltage．A 22.3kV high voltage pulse was obtained on load through Blumlein line，which satisfied the design of compact pulse power system．The PCSS’s on-resistance of 4.1Ω was calculated according to bias voltage，output voltage and impedance of Blumlein line．Moreover，the relationship between GaAs PCSS’s on-resistance and bias voltage，laser energy were studied under the lock-on mode of PCSS．

pulsed power technology;solid-state planar Blumlein line;GaAs PCSS;on-resistance

TN78

A

1003-3076(2014)07-0073-04

2012-08-10

國家自然科學(xué)重點基金資助項目(11035004)、中物院科學(xué)技術(shù)發(fā)展重點基金資助項目(2013A0402018)

諶 怡(1984-)，男，四川籍，助理研究員，碩士，研究方向為脈沖功率技術(shù)及強流電子束源;

夏連勝(1970-)，男，江蘇籍，研究員，博士，研究方向為脈沖功率技術(shù)及強流電子束源。