大功率GaAs光导开关奇特光电导机理研究

大功率GaAs光导开关在非线性模式下的关断不可控严重制约了其重复频率运行性能的提高。本项目针对大功率GaAs光导开关的奇特光电导机理开展研究，在已有工作基础上，通过建立非线性模式下光导开关的电阻模型并与外电路结合进行数值模拟，明确外电路参数对开关光电导特性的影响规律；通过不同参数（波长、脉冲能量）激光触发开关的实验获取触发光参数对开关性能的影响；通过不同形状光斑触发开关特定区域的研究，分析开关中载流子的倍增过程和复合过程。在建立外电路参数、触发光参数和开关光电导特性之间内在联系的基础上，认清大功率GaAs光导开关奇特光电导的机理，并提出实现开关可控关断的方法，推动GaAs光导开关在重复频率脉冲功率技术中的应用。

大功率GaAs光导开关奇特光电导机理研究有助于进一步理解光导开关的非线性模式并提出开关可控关断的方法，推动其在重复频率脉冲功率技术中的应用。本项目着眼于从外电路参数、触发光参数、光斑形状、触发区域等因素出发研究其对开关光电导特性的影响，主要开展了光导开关数值模拟、触发光参数对开关光电导特性影响规律、利用ICCD诊断开关过程中电流丝等研究。项目研究的主要成果包括： 1）对光导开关电阻模型进行了修正，使用Pspice ABM方法将修正模型与实际脉冲功率电路结合，通过数值模拟研究了GaAs光导开关的光电导特性，与实验结果结合获得了光电导特性与外电路参数的关系；基于修正的电阻模型开展了SiC光导开关最小导通电阻影响因素的理论和实验研究；2）获得了GaAs光导开关暗态伏安特性曲线及所用GaAs材料吸收深度随波长的变化曲线，为横向结构和体结构光导开关的参数设计提供了重要依据；全面开展了触发光参数对光导开关光电导特性的影响规律研究，并对不同形状的光斑（包括面状、线状和点状光斑）和处于电极间不同位置的线状光斑触发时开关的光电导特性进行了深入研究，该研究加深了对本征光电导、非本征光电导的理解，实现了对给定所需电参数光导开关的材料及结构参数的经验性选择；3）实验结果表明光导开关载流子复合时电子跃迁放出的二次光子参与了光电导过程。利用ICCD开展了对光导开关载流子复合辐射的诊断研究，对不同形状的光斑和处于开关电极间不同位置的线状光斑触发等不同情况下GaAs光导开关的电流丝形态进行了比较研究，初步结果表明：当贯穿开关电极的线状光斑触发时电流丝最为明显，靠近阳极区域的平行线状光斑或点状光斑触发时电流丝比靠近阴极区域的光斑触发时更为明显，这与开关光电导特性研究结果一致；使用非贯穿的线状光斑触发时在光照区域出现电流丝图像，而无光照区域电流丝不明显。在对电流丝图像的研究基础上提出了光导开关多激光束触发调控技术，研制了大于4 kA的大电流光导开关；4）基于对GaAs光导开关奇特光电导特性的深入理解提出了输出脉冲宽度的调节方法，拓展了光导开关在不同输出电脉冲宽度固态脉冲功率源中的应用研究，实现了超快脉冲源基本模块（输出电压大于10 kV，上升沿约3.8 ns）和长脉冲源基本模块（输出电压大于20 kV，输出电流大于8 kA），探索了其在生物医学和无损检测X光机等领域的应用研究。