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GaAs光电导开关非线性工作特性机理研究

GaAs光电导开关非线性工作特性机理研究

作者：刘豪西安理工大学

学位级别：硕士

GaAs半导体以高的电子迁移率和低的载流子寿命的特点,被广泛应用于脉冲功率器件。相比于线性模式,非线性模式下的GaAs光电导开关具有更低的触发光能需求和高的输出增益,使得高压超快功率脉冲系统的搭建和使用更为有效、方便和灵活。虽... 详细信息

GaAs半导体以高的电子迁移率和低的载流子寿命的特点,被广泛应用于脉冲功率器件。相比于线性模式,非线性模式下的GaAs光电导开关具有更低的触发光能需求和高的输出增益,使得高压超快功率脉冲系统的搭建和使用更为有效、方便和灵活。虽然现有的非线性理论可以一定程度上解释非线性模式下的实验现象,但对其器件内的瞬态特性的变化缺乏一定的认知,因此使用一个合理的模型复现光电导开关的非线性工作模式并研究其形成的过程就显得尤为重要。本文基于数值计算方法,使用Silvaco TCAD软件对GaAs耿氏二极管和GaAs光电导开关进行了仿真,研究了 GaAs耿氏二极管成畴条件、光生载流子对器件成畴的影响;获得了GaAs光电导开关非线性工作模式和非线性工作模式下锁定现象。具体结论如下:1.在对GaAs耿氏二极管仿真中,本文比较了施加光触发和不施加光触发下高场畴形成及演化过程,通过调整掺杂浓度,模拟了器件内部畴的演化和发展,得出:当掺杂浓度n和电极之间间距L的乘积大于等于14×1012cm-2(即nL≥14×1012cm-2)时,器件内部才能成畴;在nL=1.4×1010cm-2情况下,通过对器件施加不同光功率密度的光,模拟了器件内高场畴的演化和发展,发现随着光功率密度的增大,器件内畴的峰值电场也在增大,在光功率密度峰值为1 ×107 W/cm2时,器件内部出现了多畴,多畴的出现是由于器件内载流子浓度的提升而产生的。2.在对光电导开关的仿真中,分别研究了共面和异面电极横向光电导开关。共面电极横向光电导仿真结果表明:在光脉冲宽度为0.5ns峰值光功率密度为20000W/cm2电极间隙为1000m时,外置偏压为3000V、3200V、3400V、3600V和3800V输出电流均为非线性,且输出电流峰值随着外置偏压的增大而增大;当外置偏压为3900V和4000V时,输出电流出现了锁定现象,并且从输出波形来看出现了电流延时现象,在外置偏压为4000V电流延时现象减缓。异面电极横向光电导开关仿真结果表明:在外置偏压4000V光功率密度峰值20000W/cm2,开关处于非线性工作模式,但没出现锁定现象;在4000V外置偏压和触发光光功率密度为30000W/cm2时,才出现锁定现象。从两部分仿真结果来看,共面电极正面光照横向光电导开关出现锁定现象要求的光电阈值比异面电极横向光电导开关所要求的低。最后,本文根据实验方案,模拟了光电导开关的输出脉宽调控。本文所研究的畴是研究光电导开关非线性工作模式的基础,仿真的非线性工作模式输出电脉冲出现了电流延时和电流振荡,电流延时的长短与外置偏压和激光强度有关,电流振荡与畴在器件中的运动相关。本工作对解释光电导开关非线性工作模式的形成起到了一定的作用。

关键词：数值计算 GaAs 负微分迁移率锁定现象光电导开关

用电子束辐照注入电荷包研究低密度聚乙烯中的电荷迁移率

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电工技术学报 2016年第10期31卷 145-150页

作者：郭世忠张冶文赵晖郑飞虎安振连上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室上海200092 同济大学电气工程系上海201804

通过研究外加电场强度50k V/mm以下低密度聚乙烯中的空间电荷包行为,使用一种多层结构的受辐照的双面粘贴聚氟乙烯薄膜低密度聚乙烯样品,通过电子束辐照在样品内部形成＂波包＂分布,在外加电场强度较低时形成电荷包,使用激光压力波法监... 详细信息

通过研究外加电场强度50k V/mm以下低密度聚乙烯中的空间电荷包行为,使用一种多层结构的受辐照的双面粘贴聚氟乙烯薄膜低密度聚乙烯样品,通过电子束辐照在样品内部形成＂波包＂分布,在外加电场强度较低时形成电荷包,使用激光压力波法监测电荷包迁移。结果表明,以电荷包峰值位置为参考点,在样品内实际电场下电荷包平均迁移率分布范围为（0.17～3.01）×10？15m2/（V·s）。通过对不同外加电场强度下的空间电荷包行为的研究得到,电荷包迁移速率与电场强度关系符合负微分迁移率假设模型,从而证明了在较低的电场强度下负微分迁移率模型的正确性。

关键词：低密度聚乙烯聚氟乙烯电子束辐照空间电荷包负微分迁移率

基于类耿氏效应的低密度聚乙烯中空间电荷包行为的模拟仿真

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物理学报 2010年第1期59卷 508-514页

作者：夏俊峰张冶文郑飞虎雷清泉同济大学波尔固体物理研究所上海200092 哈尔滨理工大学哈尔滨150080

低密度聚乙烯材料中的空间电荷包现象通常会引起严重电场畸变而影响其击穿特性.本文借鉴半导体中的耿氏效应的负微分迁移率机理来描述电荷包的形成机理,并结合载流子的注入条件及体内陷阱对电荷迁移的影响等因素,对文献中报道的两类外... 详细信息

低密度聚乙烯材料中的空间电荷包现象通常会引起严重电场畸变而影响其击穿特性.本文借鉴半导体中的耿氏效应的负微分迁移率机理来描述电荷包的形成机理,并结合载流子的注入条件及体内陷阱对电荷迁移的影响等因素,对文献中报道的两类外加场强不同且迁移趋势各异的空间电荷包行为进行了模拟仿真,模拟的电荷包大小随电场变化规律,电荷包迁移速率随时间变化规律等与相应实验结果符合.模拟结果表明,产生耿氏效应的负微分迁移率是造成电荷包非弥散传输的主要原因,其与材料电极注入情况及体内陷阱态的共同作用导致了空间电荷包行为迁移的多样性.

关键词：空间电荷包耿氏效应模拟仿真负微分迁移率

聚乙烯空间电荷包行为的形成机理与仿真方法研究

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物理学报 2009年第12期58卷 8529-8536页

作者：夏俊峰张冶文郑飞虎雷清泉同济大学波耳固体物理研究所上海200092 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院哈尔滨150080

聚乙烯中的空间电荷包行为是空间电荷的一种特殊的输运行为.研究表明,空间电荷包行为由于受材料本身特性、外加电场大小以及环境温度等的影响,导致其产生过程及传输特性上存在较大差异,这些因素给空间电荷包行为产生机理研究带来了较大... 详细信息

聚乙烯中的空间电荷包行为是空间电荷的一种特殊的输运行为.研究表明,空间电荷包行为由于受材料本身特性、外加电场大小以及环境温度等的影响,导致其产生过程及传输特性上存在较大差异,这些因素给空间电荷包行为产生机理研究带来了较大困难.通过对电荷的电极注入过程、载流子的体内迁移规律及空间电荷与体内陷阱的相互作用机制进行分析,探讨了不同外加电场及不同深度陷阱能级对电荷包行为造成的相关影响,在此基础上建立物理模型来描述电荷包的产生和迁移过程.模型中提出了在高于阈值电场时,载流子迁移速度与电场关系存在负微分迁移率的假设.基于此模型对空间包行为的模拟结果与实验结果取得较好的一致.

关键词：空间电荷包数值模拟负微分迁移率

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稳态过临界转移电子放大器(二)

微纳电子技术 1975年第11期 1-16页

作者：邱素娟

五、影响放大性能的因素放大器性能由多方面因素决定,是材料、器件和电路综合作用的结果。这里主要讨论偏压、射频信号的大小、晶格温度、掺杂浓度对放大器主要性能的影响。 ***性能的一般描述在反射型TEA中,放大器的增益可以由反射系... 详细信息

五、影响放大性能的因素放大器性能由多方面因素决定,是材料、器件和电路综合作用的结果。这里主要讨论偏压、射频信号的大小、晶格温度、掺杂浓度对放大器主要性能的影响。 ***性能的一般描述在反射型TEA中,放大器的增益可以由反射系数求得,如（2.1）式写为: G=|（Z;-Z;）/（Z;+Z;）|;（5.1）放大器的分数带宽B;为: B;=2π/Q;lnG;（5.2）其中G;是中心频率的增益,Q;是中心频率ω;上TEA的品质因素,在器件串联等效电路中

关键词：均匀掺杂凹槽掺杂分布掺杂浓度负阻电阻过临界肖特基势垒金属-半导体接触电场分布渡越角非均匀电场负微分迁移率静电场晶格晶种 TEA 阳极器件性能载流子浓度载流子密度电场畸变

具有导电衬底的非均匀外延GaAs的速度—电场特性的微波测量

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微纳电子技术 1973年第1期 48-62页

作者：刘长恩

用微波技术测得的 n 型 GaAs 速度—电场（V—E）特性仅当样品均匀时才相当于材料的本征特性。本文介绍对具有非均匀掺杂浓度的外延样品测得的 V—E 特性的理论及实验研究。理论预示,对于非均匀材料,表观峰谷比和负微分迁移率将从本征... 详细信息

用微波技术测得的 n 型 GaAs 速度—电场（V—E）特性仅当样品均匀时才相当于材料的本征特性。本文介绍对具有非均匀掺杂浓度的外延样品测得的 V—E 特性的理论及实验研究。理论预示,对于非均匀材料,表观峰谷比和负微分迁移率将从本征值大大下降,并且表观临界电场也降低。测量与理论完全一致,对于均匀的 GaAs 测得的峰谷比为2.0,而对于在11微米厚的外延层上具有（1.5≤n≤2.5）×10;厘米;的线性掺杂梯度的材料,降低到1.5。对于具有局部高阻区的样品,观察到低达1.2的值。利用一种35千兆赫微波加热法进行测量,这种方法可以便利地表征具有导电衬底的器件实用材料。V—E数据针对能量弛豫引起的高频效应进行了校正。结果表明,已报导的 V—E 特性中大部分分歧都能够根据样品的不均匀性加以解释。

关键词：负微分迁移率方程微波测量外延层 GaAs 千兆赫高频效应弛豫效应不均匀性掺杂分布电场分布峰谷比非均匀衬底基片

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GaAs电子转移放大器件V-I特性研究

微纳电子技术 1982年第4期 10-20页

作者：史桂华朱太环

装制了砷化镓电子转移放大器件的V-I特性测量仪,观察了连续和脉冲运用的电子转移放大器件的V-I特性。发现几呈现准饱和V-I特性曲线的器件均能实现稳态放大,也易满足一定功率-带宽要求。作者用7～9GHz、10～12GHz的放大器件与腔体配合运... 详细信息

装制了砷化镓电子转移放大器件的V-I特性测量仪,观察了连续和脉冲运用的电子转移放大器件的V-I特性。发现几呈现准饱和V-I特性曲线的器件均能实现稳态放大,也易满足一定功率-带宽要求。作者用7～9GHz、10～12GHz的放大器件与腔体配合运用,得到了理论与实际一致的良好效果,同时对稳定放大机理提出一定看法,进而对提高器件耐压和降低热阻提出了一些改进措施,经实验证明,理论和实践再次取得了很好的一致。

关键词：放大器件电子转移 V-I 负微分迁移率空间电荷波 GaAs

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SOI的自加热效应与SOI新结构的研究

功能材料与器件学报 2002年第2期8卷 205-210页

作者：林青谢欣云朱鸣张苗林成鲁中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室上海200050

阐述了自加热效应产生的原因以及它对SOI电路的影响,并介绍了为克服自加热效应和满足某些特殊器件和电路的要求,国内外正在竞相探索研究的新型SOI结构,如SOIM、SilicononAlN、GPSOI、SiCOI、GeSiOI、SON、SSOI等。结合SOI新结构制备工作... 详细信息

阐述了自加热效应产生的原因以及它对SOI电路的影响,并介绍了为克服自加热效应和满足某些特殊器件和电路的要求,国内外正在竞相探索研究的新型SOI结构,如SOIM、SilicononAlN、GPSOI、SiCOI、GeSiOI、SON、SSOI等。结合SOI新结构制备工作,报道了SOI的自加热效应及其新结构的研究进展。

关键词：自加热效应沟道电流跨导畸变负微分迁移率 SOI

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稳态过临界电子转移放大器(一)

微纳电子技术 1975年第10期 1-14页

作者：邱素娟

我们知道,砷化镓电子转移器件（TED）的载流子浓度（n;）和有源区长度（L）的乘积是判别此类器件稳定与否的参数,通常以n;L在5×10;～10;厘米;为界。大于这个临界值时,产生畴核振荡,如耿振荡等。小于这个临界值则稳定,可以进行放大。196... 详细信息

我们知道,砷化镓电子转移器件（TED）的载流子浓度（n;）和有源区长度（L）的乘积是判别此类器件稳定与否的参数,通常以n;L在5×10;～10;厘米;为界。大于这个临界值时,产生畴核振荡,如耿振荡等。小于这个临界值则稳定,可以进行放大。1965年Thim首次实现了这种亚临界电子转移放大。这种放大器,因其n;L小和只在渡越时间频率及其谐波频率附近实现放大,因此功率和频率都受到限制。1969年Pollman等以大于这个临界值的电子转移器件实现了稳态反射型放大,称为过临界掺杂电子转移放大器（简称过临介TEA）。这类放大器的功率容量大于前者,并有宽带、低

关键词：过临界 TEA 器件载流子浓度载流子密度负微分迁移率静电场空间电荷波电阻负阻电子设备放大器电场分布电子转移稳态