微帶線不連續(xù)性對光電導(dǎo)開關(guān)非線性特性的影響*

馬湘蓉,花 濤,宋宇飛

(南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院,南京 211167)

微帶線不連續(xù)性對光電導(dǎo)開關(guān)非線性特性的影響*

馬湘蓉*,花 濤,宋宇飛

(南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院,南京 211167)

實驗對全固態(tài)同軸―微帶型橫向半絕緣砷化鎵(SI-GaAs)光電導(dǎo)開關(guān)傳輸特性進行了研究:當(dāng)偏置電壓達(dá)到一定閾值時,普通開關(guān)進入了非線性鎖定(Lock-on)工作模式;在相同實驗條件下,當(dāng)微帶線出現(xiàn)不連續(xù)時,輸出的電脈沖波形沒有出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象;分別用空氣擊穿的流注模型和微帶線等效電容機理分析了微帶線不連續(xù)效應(yīng)引起整個開關(guān)電路性能變化及抑制開關(guān)Lock-on效應(yīng)的原因。

SI-GaAs光電導(dǎo)開關(guān);微帶線;不連續(xù);間隙;擊穿

超快脈沖激光器與半絕緣光電半導(dǎo)體(如GaAs,InP,SiC等)相結(jié)合形成的超快光電半導(dǎo)體功率開關(guān)器件,具有皮秒響應(yīng)、GHz的重復(fù)頻率、觸發(fā)無晃動、高耐壓、寄生電感電容小、光電隔離、結(jié)構(gòu)靈活等特點,使之在超高速電子學(xué)、脈沖功率技術(shù)、THz技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。光電半導(dǎo)體開關(guān)有兩種工作模式,一種是線性模式,即一個入射光子最多能激勵一個電子-空穴對參與導(dǎo)電,其重復(fù)工作頻率高且使用壽命很長,可應(yīng)用于超快開關(guān),但輸出的電脈沖沒有增益,所需觸發(fā)光脈沖能量較高,且偏置電壓較低;另一種是非線性(Lock-on)模式,即在滿足一定的光能、電場閾值時,一個入射光子能激勵多個電子―空穴對參與導(dǎo)電,輸出電脈沖出現(xiàn)明顯的鎖定現(xiàn)象,因此該模式也被稱為高增益模式[4-5]。

國內(nèi)外學(xué)者對砷化鎵光電導(dǎo)開關(guān)進行了廣泛地研究,西安理工大學(xué)的施衛(wèi)教授[6-10]等人對光激發(fā)電荷疇的猝滅模式和電流限制效應(yīng)進行了研究,并對大間隙半絕緣GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的過壓弛豫限累模式做了相應(yīng)的分析和研究。馬湘蓉[11]對沿面閃絡(luò)和絲狀電流對光電導(dǎo)開關(guān)的損傷機理開展了實驗研究。袁建強[12]等人對半絕緣GaAs光電導(dǎo)開關(guān)從線性向非線性工作模式過渡時呈現(xiàn)出的獨特的光電導(dǎo)現(xiàn)象進行了報道和分析。GaAs光電導(dǎo)開關(guān)在工作過程中,其傳輸機制和傳輸特性較為復(fù)雜,其傳輸過程與GaAs芯片的表面狀況、電極的幾何形狀、制作工藝和接觸性質(zhì)、偏置電壓、觸發(fā)光源以及其熱力學(xué)性質(zhì)都有關(guān)系[13],這些因素的相互作用影響了光電導(dǎo)開關(guān)的傳輸特性,限制了開關(guān)在高電壓、大功率領(lǐng)域的發(fā)展。因此,必須要求開關(guān)的研制者們通過對芯片材料的特性、幾何結(jié)構(gòu)以及工藝技術(shù)等方面進行不斷改進,來提高開關(guān)的快速響應(yīng)特性,通過改進開關(guān)電極的材料、摻雜、接觸工藝、形狀及微帶線性能等來優(yōu)化開關(guān)設(shè)計。

微帶線是目前在微波集成電路中使用最多的一種平面型傳輸線,主要是因為它可以利用集成電路上現(xiàn)成的平面電路工藝,用光刻程序制作,而且可以與其他有源或無源微波器件集成。在利用微帶線傳輸電磁能量和構(gòu)成各種微帶電路時,必然會碰到微帶線的不連續(xù)性。如何處理這些不連續(xù),是設(shè)計微帶電路的一個關(guān)鍵問題。本文的實驗對象是將GaAs芯片安裝在與之匹配的平面微帶傳輸線上,形成具有最低電感的輸出方式,整個開關(guān)經(jīng)微帶―同軸過渡與同軸電纜相接。通過對開關(guān)微帶線出現(xiàn)間隙等不連續(xù)情況的研究,分析微帶線對開關(guān)輸出特性的影響,為今后優(yōu)化開關(guān)結(jié)構(gòu)提高開關(guān)性能提供可行的解決方案。

圖1 同軸―微帶型橫向光電導(dǎo)開關(guān)

1 實驗與結(jié)果

1.1 普通開關(guān)實驗

利用全固態(tài)同軸―微帶型橫向SI-GaAs光電導(dǎo)開關(guān)實驗,半絕緣GaAs作為光電導(dǎo)芯片材料,外形尺寸為9 mm×6 mm。用電子束蒸發(fā)工藝淀積厚度為900 nm的Au/Ge/Ni合金電極,經(jīng)退火處理與GaAs晶片形成歐姆接觸,電極尺寸為6 mm×4 mm,圓角半徑為1.1 mm。將這種GaAs芯片安裝在與之匹配的平面微帶傳輸線上,形成具有最低電感的輸出方式。整個開關(guān)經(jīng)微帶―同軸過渡與同軸電纜相接。微帶傳輸線用高導(dǎo)熱性能的Al2O3敷銅板制作,使開關(guān)具有良好的散熱性能。開關(guān)的絕緣保護采用多層固態(tài)透明介質(zhì)。如圖1所示,第1層介質(zhì)為Si3N4,與通常的鈍化保護層相同。第2層介質(zhì)為新型有機硅凝膠,它的絕緣化強度大于280 kV/cm,在360 nm～1 200 nm波長范圍內(nèi)的平均透過率約為95%,對觸發(fā)光的吸收幾乎可以忽略。整個開關(guān)由同軸電纜接頭作為輸入/輸出端,用超短激光照射開關(guān)芯片以觸發(fā)開關(guān)導(dǎo)通。此時光脈沖照射到光電導(dǎo)體有源部分上時,即微帶電極間隙部分,以此來產(chǎn)生超短電脈沖。

圖3 電極間隙3.5 mm普通開關(guān)輸出波形

實驗所用的SI-GaAs材料中載流子濃度n≈1014cm-3,暗態(tài)電阻率ρ>5×107Ω·cm,電子遷移率μ>5 500 cm2/(V·s),本征擊穿強度為250 kV/cm。GaAs芯片反射率R=0.328,吸收系數(shù)α=13.52×103cm-1。開關(guān)芯片厚度為0.6 mm,兩電極間隙為3.5 mm。用脈沖能量可調(diào)的Nd:YAG激光照射芯片來觸發(fā)開關(guān)導(dǎo)通,激光脈沖寬度為3.5 ns,波長為532 nm,觸發(fā)光能量為1.8 mJ,光斑半徑為1 mm。開關(guān)經(jīng)60 dB衰減器與Lecory示波器相接。測試電路如圖2所示,觸發(fā)光源通常為納秒激光器,實驗中能量計用以檢測觸發(fā)光脈沖能量。開關(guān)電極兩端接微帶傳輸線,然后經(jīng)50 Ω特性阻抗的同軸電纜與電路相連。開關(guān)輸出脈沖信號經(jīng)衰減器衰減后與示波器相連,示波器電阻可調(diào)。光電導(dǎo)開關(guān)同軸端子輸出端接電容器進行儲能,最后經(jīng)限流電阻接直流高壓電源。偏置電壓在1 500 V和2 000 V時輸出脈沖波形分別為圖3(a)和圖3(b),實際輸出電壓分別為1 250 V和1 740 V。

圖2 同軸―微帶型橫向光電導(dǎo)開關(guān)實驗電路圖

1.2 微帶線間隙靠近開關(guān)陰極處實驗

在上面的普通開關(guān)靠近陰極微帶線上用刀片劃開一條約0.2 mm間隙。在同樣實驗條件下,當(dāng)偏置電壓在1 500 V時輸出電脈沖波形單次觸發(fā)如圖4(a)和重復(fù)1 250次觸發(fā)如圖4(b)所示。微帶線上的間隙處開始有斷續(xù)的火花放電發(fā)生。

1.3 微帶線間隙靠近開關(guān)陽極處實驗

在上面的普通開關(guān)靠近陽極微帶線上用刀片劃開一條約0.2 mm間隙。在同樣實驗條件下,當(dāng)偏置電壓在1 500 V時輸出脈沖為紊亂波形,如圖5所示。

圖5 陽極處0.2 mm微帶間隙,偏置電壓1 500 V時輸出波形

1.4 激光觸發(fā)靠近陰極處微帶線間隙實驗

同樣實驗條件下,能量20 mJ激光聚焦后照射到微帶線間隙上,偏置電壓達(dá)到1 900 V時,出現(xiàn)超短脈沖波形,連續(xù)觸發(fā)輸出電脈沖波形如圖6所示。脈沖上升沿1 ns左右,幅值50 mV～60 mV左右。

圖6 激光觸發(fā)陰極處0.2 mm微帶間隙,偏置電壓1 900 V時輸出波形

2 理論分析

2.1 微帶線不連續(xù)特性

微帶線不連續(xù)又稱不均勻性,微帶線的分支、拐彎、尺寸突變及截斷、間隙等,都屬于微帶線不連續(xù)情況。通?？捎眠m當(dāng)?shù)牡刃щ娐穪肀硎旧鲜龅牟贿B續(xù)性,由于微帶線屬于分布參數(shù)電路,不連續(xù)性的影響相當(dāng)于在電路中并聯(lián)或串聯(lián)一些電抗元件,或是使參考面發(fā)生變化。由于微帶線結(jié)構(gòu)的邊界條件是很復(fù)雜的,再加上不連續(xù)性結(jié)構(gòu),就使得邊界條件更加復(fù)雜化。

圖7 微帶線中電場分布和微帶線開路端的電場及其等效示意圖

圖7(a)所示為微帶線中的電場分布[14]。與微帶線的使用波長相比,不連續(xù)線段的尺寸通常很小,因此,可以用集總元件等效電路來表征它。由于這些不連續(xù)都是由導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)尺寸突變引起的,微帶上除有反射電流、傳輸電流外,還有微帶不連續(xù)激發(fā)的電流。在間斷處電磁場的分布被改變,其中電場的改變引起電容的等效改變,磁場的改變引起電感的等效變化,所以,微帶線不連續(xù)性的分析,就是計算由這種不連續(xù)引起的電容和電感參數(shù)的變化量。

微帶線的開路端實際上相當(dāng)于一個RLC網(wǎng)絡(luò)終端,電阻R表示輻射能量損耗,電感L表示過剩電流,電容C表示過剩電荷。這是因為,在微帶條的突然截斷處,由于場分布的畸變,導(dǎo)帶末端處比帶條的其余部分多積聚更多的儲存電荷,并有與過剩電荷相關(guān)的過剩電流流動,同時還要輻射能量。在截斷處附近,其電力線要延伸到截斷端的外面。即在這個局部地區(qū)內(nèi)要儲存電能。因此,截斷處并不是一個簡單的開路端,類似于接了一個電容負(fù)載。等效的開路截面比微帶的實際截斷端向外延伸了一段距離Δl,如圖7(b)所示[15]。

圖9 微帶線間隙等效電路圖、微帶線導(dǎo)通時等效電路圖和激光聚焦觸發(fā)微帶線間隙等效電路[17]

微帶間隙在微帶電路中也是常見的不連續(xù)性之一,其結(jié)構(gòu)如圖8所示[16]?？梢钥闯墒莾蓷l微帶通過一個串聯(lián)電容C2而互相耦合起來。同時在兩條微帶線的截斷端與底襯之間也存在一等效電容C1,因此,微帶線間隙的等效電路可以設(shè)想是一個π型電容網(wǎng)絡(luò)[17],如圖9(a)所示。

圖8 微帶線間隙結(jié)構(gòu)[16]

在0.5≤W/H≤2和2.5≤εr≤1.5,用下列表達(dá)式來計算電容C1和C2。

(1)

(2)

式中:W是微帶線寬度,H是基底的厚度,εr是介電常數(shù),參數(shù)k1和k2,m1和m2與W/H的數(shù)值在文獻[18-19]中可查。

2.2 微帶線間隙導(dǎo)通過程

微帶線間隙靠近開關(guān)陰極處時,有大量電子注入間隙,此時的微帶線間隙近似可看作空氣隙開關(guān)。引入氣體擊穿湯森―流注模型來解釋微帶線間隙擊穿過程如圖10所示,認(rèn)為空氣隙擊穿過程由湯森機理起始,而后電子崩在向陽極運動過程中轉(zhuǎn)變成流注,流注向陰極傳播,最終流注貫穿整個間隙,造成空氣的擊穿。

圖10 微帶線間隙擊穿示意圖

湯森(Townsend)機理的過程主要是正離子構(gòu)成的空間電荷在陰極附近建立了電場,γ效應(yīng)使連續(xù)不斷的電子雪崩形成放電間隙中的導(dǎo)電性。在流注機理中[20],由單個電子雪崩形成的空間電荷的自身發(fā)展,使得雪崩轉(zhuǎn)變成高度導(dǎo)電的等離子體。擊穿形成經(jīng)歷4個過程:(1)從陰極發(fā)射出的初始電子,在向陽極運動中形成一個電子雪崩,電子雪崩中輻射出大量的光子,使陰極產(chǎn)生光電子發(fā)射;(2)光電子產(chǎn)生大量次電子雪崩,由于電子的遷移速度大,形成了如圖10所示的空間電荷分布;(3)電子到達(dá)陽極后,聚集在陽極附近的大量正空間電荷使電場畸變,陽極處的電場強度降低,陰極處的電場強度升高,于是電子電離系數(shù)α指數(shù)倍增長,電子雪崩效果顯著增大。當(dāng)eαd≥n臨界(d是微帶線間隙距離,n臨界是積累的空間電荷達(dá)到雪崩的臨界數(shù)值)時,電子雪崩轉(zhuǎn)變?yōu)榱髯?(4)擊穿向流注過渡。次電子雪崩不斷匯入主電子雪崩,使流注向陰極方向傳播,而電子則沿通道向陽極運動,從而導(dǎo)致氣體的擊穿。微帶線間隙擊穿時等效電路如圖9(b)所示。

SI-GaAs光電導(dǎo)開關(guān)在達(dá)到一定光電閾值時,在GaAs芯片內(nèi)就會出現(xiàn)載流子雪崩倍增產(chǎn)生光激發(fā)電荷疇[21]。一旦微帶線間隙導(dǎo)通,就施加給光電導(dǎo)開關(guān)一定的偏置電壓,但是由于受微帶線間隙不連續(xù)特性的影響,微帶線間隙截斷處積聚了更多的儲存電荷漏電流增大,以及微帶線間隙擊穿時火花放電損失了大量的能量,這樣施加給光電導(dǎo)開關(guān)的電壓遠(yuǎn)沒有達(dá)到進入鎖定狀態(tài)的非線性閾值。GaAs芯片中載流子的復(fù)合時間(幾十ns)遠(yuǎn)大于空氣隙形成等離子體的時間,那么當(dāng)微帶線導(dǎo)通時,GaAs中的高濃度載流子仍存在且可停留數(shù)ns。所以當(dāng)光電導(dǎo)開關(guān)和微帶線在同一時刻導(dǎo)通時達(dá)到的峰值電流高于普通開關(guān),使得輸出脈沖波形有明顯增益。因光電導(dǎo)開關(guān)與微帶線間隙導(dǎo)通過程存在延遲,輸出脈沖呈現(xiàn)出振蕩波形。當(dāng)非平衡載流子經(jīng)過幾十ns的復(fù)合、擴散、電極和微帶線輻射、吸收,能量在電路中損失,無法提供給空氣隙足夠高的大于自擊穿閾值電壓時,開關(guān)就進入斷開狀態(tài)。輸出電脈沖波形如圖4所示,這時光電導(dǎo)開關(guān)沒有出現(xiàn)Lock-on(鎖定現(xiàn)象)。

在持續(xù)偏置電壓作用下,微帶線間隙間出現(xiàn)貫穿兩極、斷續(xù)明亮的細(xì)火花通道。火花放電間斷的原因是:當(dāng)間隙擊穿形成火花放電通道后,電流突增,這就使外電路中阻抗上壓降增加,導(dǎo)致間隙中電壓降低,火花熄滅;此時回路中電流減少,阻抗上的電壓降低,間隙中電壓再次增加,又發(fā)生擊穿形成火花,如此往復(fù)循環(huán),就形成了斷續(xù)的火花放電。

微帶線間隙靠近開關(guān)陽極時,微帶線間隙等效電路圖如9(b)所示。整個過程分為4個階段:(1)當(dāng)SI-GaAs芯片兩端沒有偏置電壓時,芯片也會因激光脈沖作用產(chǎn)生電子―空穴等離子體,等離子體到達(dá)對面電極時,芯片內(nèi)瞬間流過電流,使得微帶線間隙等效電容得到了充電。此時電路中電流比較微弱,不足以使微帶線間隙發(fā)生空氣擊穿過程,這時微帶線間隙相當(dāng)于等效電容充電過程。(2)微帶線等效電容進入了迅速放電過程,GaAs芯片兩端施加有一定的偏置電壓達(dá)到擊穿閾值,開關(guān)導(dǎo)通,輸出電脈沖波形呈現(xiàn)出一個顯著的反向波峰。(3)這時微帶線間隙電壓已達(dá)到一定閾值,空氣隙擊穿過程發(fā)生,光電導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通輸出正向波峰。(4)這樣在微帶線間隙等效電容交替充放電以及GaAs芯片電阻率交替恢復(fù)和下降等過程相互作用。電容充放電的能力不斷衰減,直到開關(guān)內(nèi)載流子完全消失,最終能量在電路中損失使得電壓已達(dá)不到光電導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通閾值,經(jīng)過幾個周期的減幅振蕩后,開關(guān)斷開,輸出電脈沖波形紊亂,如圖5所示。

2.3 光觸發(fā)微帶線間隙開關(guān)導(dǎo)通

光觸發(fā)誘導(dǎo)微帶線間隙時等效電路圖如9(c)所示。在激光照射微帶線間隙時,可產(chǎn)生放電等離子體,這種等離子體以流注的形式向前發(fā)展,在放電間隙中起觸發(fā)放電的作用。根據(jù)前述湯森―流注理論,如電子雪崩發(fā)展成流注需要的時間就是擊穿時延τd時,可用下式表示[22]:

(3)

式中:d是間隙長度,Vs是流注速度,n0是陰極表面上的電子數(shù),即初始電子數(shù),ne是離開陰極處的電子數(shù)。

光誘導(dǎo)微帶線間隙導(dǎo)通時,微帶線間隙相當(dāng)于一個時變電阻,這樣隨GaAs芯片內(nèi)電阻率的變化,兩者存在動態(tài)分壓關(guān)系。開關(guān)輸出為線性波形如圖6所示。由于激光沒有觸發(fā)SI-GaAs芯片,使得光電導(dǎo)開關(guān)達(dá)不到進入非線性的條件,芯片擊穿所需偏壓較高。激光聚焦后照射到空氣隙上,GaAs芯片上無激光觸發(fā),這樣就使得芯片導(dǎo)通時延較長,脈沖上升沿1 ns左右大于圖4所示200 ps的脈沖上升沿。

3 結(jié)論

本文分別用空氣擊穿的流注模型和微帶線等效電容等機理對自行研制的全固態(tài)同軸―微帶型橫向SI-GaAs光電導(dǎo)開關(guān)出現(xiàn)微帶線不連續(xù)現(xiàn)象時的傳輸特性進行了研究,實驗分析了微帶線截斷、間隙等不連續(xù)在開關(guān)不同位置以及觸發(fā)方式不同時,會引起整個開關(guān)電路性能和芯片內(nèi)部載流子傳輸特性的顯著變化,在這些不連續(xù)效應(yīng)和微帶間隙擊穿的相互作用下抑制了光電導(dǎo)開關(guān)Lock-on現(xiàn)象的發(fā)生。本文的研究為今后設(shè)計光電導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu),優(yōu)化開關(guān)性能提供了可行的解決方案。

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TheEffectofMicroStriplineDiscontinuityonPhotoconductiveSwitchCharacteristic*

MAXiangrong*,HUATao,SONGYufei

(School of Communication Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

The transmission characteristic of all-solid state coaxial-microstrip type semi-insulating(SI)GaAs photoconductive switch was investigated experimentally. The experiment result showed that the ordinary switch would come into non-linear(Lock-on)mode as the bias voltage reached certain threshold. Under the same experimental condition,electric pulse waveform did not appear Lock-on phenomenon when microwave transmission lines were discontinuous. The switch performance change and suppressing Lock-on effect,which attributed to discontinuous microwave transmission lines,were analyzed based on streamer model of air breakdown and microwave transmission line of equivalent capacitance respectively.

SI-GaAs photoconductive switch;micro stripline discontinuity;discontinuity;gap;breakdown

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.012

項目來源:南京工程學(xué)院引進人才科研啟動基金項目(YKJ201418);南京工程學(xué)院校級基金項目(CKJB201504,QKJB201406)

2016-10-11修改日期2016-11-29

TN36

A

1005-9490(2017)06-1387-06

馬湘蓉(1972-),女,博士,副教授,研究方向為超快半導(dǎo)體開關(guān)及電力電子器件,mxr310@163.com;

花濤(1985-),男,博士,副教授,研究方向為太赫茲通信與技術(shù),huataonju@163.com。

宋宇飛(1985-),男,博士,副教授,研究方向為太赫茲通信與技術(shù),huataonju@163.com。