線性模式下GaAs光電導開關的時間抖動特性?

桂淮濛 施衛(wèi)

1)(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院信息工程學院,咸陽 712000)

2)(西安理工大學理學院,西安 710048)

1 引 言

GaAs光電導開關(photoconductive semiconductor switch,PCSS)是超快脈沖激光器與半絕緣光電半導體GaAs相結合的新型器件[1?3].相比于傳統(tǒng)的開關,如絕緣柵型雙極型晶體管[4]、可控硅[5]等,GaAs PCSS的時間抖動可以比傳統(tǒng)器件少幾個數(shù)量級以上[6].此外,GaAs PCSS還具有響應速度快、重復頻率高、觸發(fā)抖動小和寄生電感電容小等特點[7?10],因此,GaAs PCSS已廣泛地應用于脈沖功率技術、太赫茲技術、超高速電子學和寬帶雷達等領域[11?13].使用高功率的激光脈沖觸發(fā)時,GaAs PCSS的閉合時間約為幾十皮秒,這就使相干合成多個源及轉(zhuǎn)向波束成為可能.Eric和Chi[14]通過三路并聯(lián)激光觸發(fā)天線陣列,在輻射場中將功率結合起來,電磁輻射波束轉(zhuǎn)向控制,以形成可變的輻射波束,通過同時對所有陣列元件點火或者相繼把陣列元件弄成波狀點火,從而以極高的脈沖重復頻率形成短脈沖串.為了獲得更高的性能,每個PCSS需具有低抖動[15].尤其在超快過程和超短脈沖已達到飛秒數(shù)量級,對開關時間抖動特性的研究是必要的.

2000年,美國圣地亞實驗室Gaudet等[16]研究指出,使用上升時間快、能量高的激光觸發(fā)GaAs PCSS時,開關的時間抖動會減小,但是并沒有定量地指出激光上升時間及能量對GaAs PCSS時間抖動的影響.在不同的外加偏置電壓和觸發(fā)光特性下,GaAs PCSS會工作在線性模式或非線性模式.線性模式下開關每吸收一個光子最多只能產(chǎn)生一個電子-空穴對,即不存在載流子的倍增效應[17].當外加偏置電場與觸發(fā)光能量都高于某一閾值時,GaAs PCSS將進入高倍增、持續(xù)導通狀態(tài)的非線性模式(也稱為高倍增模式或lock-on效應)[18].這兩種工作模式的導通機理不同.相比于非線性工作模式而言,當GaAs PCSS工作在線性模式時會獲得更小的時間抖動,更適用于對開關時間抖動要求極高的領域.

因此,本文針對工作在線性模式下GaAs PCSS時間抖動特性展開研究.實驗中,在激光能量相等的條件下,外加偏置電壓從100 V增加到1000 V,步長為100 V時,使用不同脈沖寬度的激光觸發(fā)GaAs PCSS.通過計算及理論分析得知,在不同的外加偏置電壓下,隨著觸發(fā)激光脈沖寬度的減小,開關的時間抖動也隨之減小.同時指出,觸發(fā)激光脈沖寬度是決定開關時間抖動量級的關鍵因素.

2 實 驗

本實驗用到的PCSS結構都是橫向結構,如圖1所示.PCSS的芯片材料選用的是半絕緣GaAs,其暗態(tài)電阻大于5×107?·cm,禁帶寬度為1.43 eV,電子的遷移率大于5000 cm2/(V·s),載流子濃度為1014cm?3,載流子壽命為幾納秒,芯片材料的相對介電常數(shù)為12.9,其本征擊穿場強可達250 kV/cm.半絕緣GaAs芯片為8.0 mm(寬)×10.0 mm(長)×0.6 mm(厚度),開關芯片表面用多層透明有機硅凝膠做絕緣保護,防止強場下沿面閃絡的發(fā)生,此透明硅膠對觸發(fā)激光幾乎不吸收.半絕緣GaAs PCSS電極采用刻蝕方法制作,通過優(yōu)化設計來使電場更均勻,電極為135?直角,尺寸為6.0 mm×3.0 mm,其圓角半徑為1.1 mm,電極是用Au/Ge/Ni合金制作的,與GaAs PCSS芯片材料形成歐姆接觸.

圖1 GaAs PCSS結構Fig.1.Structure of GaAs PCSS.

本實驗的測試電路如圖2所示.激光器(型號為Dawa-350)脈寬可調(diào),其輸出波形為高斯分布.利用正交光柵將觸發(fā)光脈沖分成完全相同的兩束光,用于同時觸發(fā)兩路并聯(lián)的GaAs PCSS.在每一個支路中,直流高壓電源正極連接阻值為10 M?的限流電阻,為0.53 nF的電容器進行充電,電容器正極連接GaAs PCSS的一端,另一端通過特性阻抗為50 ?的高速傳輸線耦合接入衰減器,信號通過衰減器衰減后再經(jīng)過傳輸線接入到示波器進行測量.示波器測量到PCSS導通瞬間的脈沖信號,通過計算并乘以衰減器的衰減倍數(shù),就可以得到開關輸出電流的時域波形.

圖2 GaAs PCSS時間抖動測試圖Fig.2.Test circuit of time jitter of GaAs PCSS.

3 測量結果

當波長為1064 nm、脈寬為13.8 ns、能量為0.35 mJ的激光同時觸發(fā)兩路并聯(lián)的間隙為3 mm GaAs PCSS.當外加偏置電壓為600 V時,輸出的電脈沖(時間基點選為零,觸發(fā)電平為電壓分度格的50%)如圖3所示.從圖3內(nèi)插圖可以看出,輸出波形重疊性好.將兩路波形的上升沿放大后,可以看出輸出波形在其上升沿50%處是存在時間差的.

圖3 偏置電壓為0.6 kV下PCSSs輸出的波形(插圖為完整波形圖)Fig.3.Output waveforms of PCSSs when bias voltage is 0.6 kV(Insert is whole output waveform).

在觸發(fā)激光脈沖波長為1064 nm,能量為0.35 mJ,脈沖寬度分別為30,22,16和11 ns條件下,外加偏置電壓從100 V增加到1000 V,步長為100 V時測量開關的時間抖動,計算結果如圖4所示[19].從圖4可以看出,在每一個確定的外加偏置電壓條件下,隨著觸發(fā)激光脈沖寬度的減小,GaAs PCSS的時間抖動會隨之減小.

圖4 不同偏置電壓下,激光脈沖寬度與GaAs PCSS時間抖動示意圖[19]Fig.4.Relationship between the laser pulse width and the time jitter of GaAs PCSS under different bias voltage[19].

4 討 論

在載流子輸運過程中,由于熱運動的無規(guī)則性,載流子的速度及其分布將會出現(xiàn)起伏,從而產(chǎn)生電流的漲落.根據(jù)統(tǒng)計學理論,當PCSS多次導通時,其輸出電流的漲落值服從高斯正態(tài)分布,其表達式為[20?22]

式中?I為輸出電流的漲落,?IRMS為電流漲落的標準偏差.

式中S為輸出電流在其上升沿50%處的斜率,?t為?I所對應的時間差值.

根據(jù)(1)和(2)式可以得出?t的概率分布函數(shù),其表達式為

開關的時間抖動是指開關多次導通時間的標準偏差,其表達式為

式中?tRMS為開關時間抖動.當開關工作在線性模式時,開關每吸收一個光子最多產(chǎn)生一個電子空穴對,則電流的表達式為

其中I為輸出電流,e為電子電量,N為載流子數(shù)目,vi為載流子速度.

由于載流子在運動過程中存在散射和復合過程,導致其速度和數(shù)目均不是固定不變,而是存在漲落.因此,(5)式可改寫成如下形式:

式中為載流子的平均速度,為載流子的平均數(shù)目.

輸出電流漲落的表達式為

由于只分析激光脈沖寬度對GaAs PCSS時間抖動的影響,而激光脈沖寬度的改變不會影響載流子速度的漲落.此處將忽略載流子速度漲落對GaAs PCSS時間抖動的影響.根據(jù)(7)式可知,電流漲落正比于載流子數(shù)目的漲落值.當激光脈沖寬度減小時,其上升時間也會減小,則在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)目會增加.當GaAs PCSS工作在線性模式時,載流子不存在倍增過程,全部來自于光生載流子.因此載流子數(shù)目的漲落正比于觸發(fā)光能量的漲落.實驗中,記錄了每次觸發(fā)光能量的大小,經(jīng)計算得到能量的偏差約為8%.即輸出電流漲落的大小是基本一致的.當激光脈沖寬度減小時,輸出電脈沖在其上升沿50%處的斜率會增加.根據(jù)(4)式可知,當激光脈沖寬度減小時,開關的時間抖動也會相應減小.

從(4)式可以看出,輸出電脈沖上升沿的斜率是影響開關時間抖動的重要因素.當開關工作在線性模式時,觸發(fā)光特性是影響開關輸出電脈沖上升時間的關鍵因素.從之前的實驗結果(圖4)可知,當使用脈寬為納秒量級的激光器觸發(fā)GaAs PCSS時,得到開關時間抖動在納秒或亞納秒量級.當使用脈寬為500 ps的激光器時,得到開關時間抖動為14.41 ps[19].當使用脈寬為25 fs的激光器時,得到開關時間抖動為30 fs[23].若光脈沖的寬度減小一個數(shù)量級,則其上升沿也會減小一個數(shù)量級.由于光脈沖和輸出電脈沖的波形相似,這就使得在電脈沖上升沿50%處的斜率減小一個數(shù)量級,因此開關的時間抖動也會相應減小.從以上分析可以看出,激光脈沖寬度是影響開關時間抖動的主要因素,甚至決定了時間抖動的量級.

5 結 論

本文根據(jù)GaAs PCSS應用在精密同步控制系統(tǒng)中要求實現(xiàn)低抖動的應用需求,研究了在不同的外加偏置電壓下,改變觸發(fā)激光脈沖寬度對線性模式下GaAs PCSS時間抖動的影響.通過建立電脈沖的概率分布和時間與電脈沖波形的對應關系,結合載流子的輸運過程,對GaAs PCSS時間抖動進行了定性的理論推導.改變外加偏置電壓及觸發(fā)激光脈沖寬度,獲得開關抖動測量值,并根據(jù)實驗值的對比分析,得出隨著觸發(fā)激光脈沖寬度的減小,開關時間抖動也隨之減小,這與理論分析結構一致.該研究對進一步提高GaAs PCSS性能具有一定的指導意義,同時對GaAs PCSS更好地應用在精密同步控制系統(tǒng)具有一定的推進作用.