砷化镓光导开关中电流丝的辐射复合系数研究

郑 理 ,刘 鸿

(1.成都工业学院 机电工程系，成都 610031；2.成都学院 电子信息工程学院，成都 610106)

刘鸿(1961- )，男(汉族)，重庆人，副教授，博士，研究方向：无线电物理、光电子学。

砷化镓光导开关中电流丝的辐射复合系数研究

郑 理1,刘 鸿2

(1.成都工业学院 机电工程系，成都 610031；2.成都学院 电子信息工程学院，成都 610106)

应用统计物理方法研究了砷化镓光导开关中电流丝(即流注)的辐射复合系数。通过分析砷化镓光导开关中电流丝一端的自发辐射光谱, 依据简单平均法和归一化条件, 确定了电流丝辐射波长为890nm的辐射复合系数为0.118 2, 与相关实验测量吻合。

光电子学；砷化镓光导开关；电流丝；辐射复合系数

光导开关(photoconductive semiconductor switches，PCSS)较之常规的脉冲产生器件具有独特的优势[1-3]。研究高增益砷化镓(GaAs)光导开关中电流丝(即流注)的自发辐射，对于进一步研究高增益GaAs PCSS的物理机理和相关器件的性能设计具有重要意义[4-16]。Zutavern等[8]测量了高增益GaAs PCSS中电流丝的自发辐射，波长890 nm的辐射具有最大光输出能量。本文在分析高增益GaAs PCSS中流注的自发辐射光谱特征基础上，应用统计物理方法，提出了确定不同辐射波长的辐射复合系数的近似方法，通过与相关实验结果比较，确定了波长890 nm的辐射复合系数值约为0.118 2。

1 辐射复合系数

高增益GaAs PCSS中电流丝内非平衡载流子的复合辐射分布在一定波长范围，在此范围内，不同波长所对应的发光强度不同，该结论与实验观察的光谱曲线一致[8]，辐射强度的最大峰值波长大约为890 nm[8]。由于GaAs是直接带隙半导体，直接复合起主导作用，因此在GaAs PCSS的电流丝的自发辐射现象中，设dN(λ)为单位时间内在电流丝中产生的波长分布在某一间隔λ～λ+dλ内的光子数，Nph为单位时间内产生的总光子数，则dN(λ)/Nph表示分布在这一间隔内的光子数占总光子数的百分率，显然dN(λ)/Nph与波长增量dλ成正比，也与波长λ有关。定义辐射波长分布在λ附近单位波长间隔内的光子数占总光子数的百分率为辐射复合系数，表示为η(λ)，即辐射强度与辐射的波长分布函数为：

(1)

对于处在一定温度下的GaAs PCSS，η(λ)只是波长λ的函数，根据分布函数的定义，对自发辐射波长分布范围积分，得到辐射复合系数η(λ)的归一化条件为：

(2)

辐射波长的平均值为：

(3)

在高增益GaAs PCSS的流注的自发辐射现象中，由于辐射复合系数η(λ)的具体形式尚不清楚，因此，笔者分析流注的自发辐射光谱的结构特征，确定关于η(λ)的一组参照值，从而计算辐射波长范围内各波长的辐射复合系数。

笔者导出了不同辐射波长的复合辐射系数之间的关系[17]，类似可得不同辐射波长的辐射复合系数与平均辐射复合系数之间的关系为：

(4)

2 与实验测量结果比较

将文献[18]中电流丝顶部的自发辐射功率的基本公式改写为：

(5)

图1 流注一端1 ns最大自发辐射能量随丝 电流变化的实验测量和理论计算结果比较

式中：R为半绝缘砷化镓材料的反射率，τh为载流子的复合时间,h为普朗克常数，c为光速，e为电子的电量，u为载流子速度，Stip为电流丝一端的面积，Strans为流注的横切面积，VT为流注的体积，ST为流注的表面积，I为电流丝电流，Ith为电流丝放射激光的阈值电流，Pth为与Ith对应的辐射功率。实验测量流注一端的最大辐射能量(λ=890 nm)如图1中连接2个数据点的虚线(最下面)所示[8]。注意到圆柱形流注有Stip=Strans，取文献[8]中的实验测量数据：流注横切面的半径r0≈b/2=20 μm (流注宽度b=40 μm)，长度d=0.5 mm，R=0.3，λ= 890 nm，Ith=5 A，Pth=0；则VT= 628 000 μm3，ST=65 312 μm2。 其他参数取值分别为：τh= 100 ps[2]，h= 6.625×10-34J·s，c= 3×108m·s-1，e= 1.6×10-19C，u=ud= 107cm/s (ud为GaAs中载流子的高场饱和漂移速度)。图1中连接2个数据点的虚线是辐射波长890 nm自发辐射的测量结果；当取η(890)=0.13时，式(5)的计算结果如图1中最上面的点划线所示，与实验数据相差明显；当取η(890) = 0.118 2时，式(5)的计算结果(实线)与实验数据(虚线)几乎重合，如图1所示，证明这里计算的辐射复合系数值η(890)=0.118 2是合理的。

3 结语

本文在分析高增益砷化镓光导开关中电流丝的自发辐射光谱的结构特征基础上，应用简单平均法和归一化条件，近似确定了关于辐射复合系数的一组参照值，计算了不同条件下辐射波长为890 nm的辐射复合系数分别为η(890)=0.13和η(890)=0.118 2, 由η(890)=0.118 2计算的光输出能量与实验测量吻合。这个工作为进一步研究高增益GaAs PCSS的物理机理奠定了基础。

[1] AUSTON D H.Picosecond optoelectronic switching and gating in silicon[J].Appl Phys Lett.,1975,26(3):101-103.

[2] LEE C H.Picosecond optoelectronic switching in GaAs[J].Appl Phys Lett.,1977,30(2):84-86.

[3] WILLIAMSON S,ALBRECHT G F,MOUROU G. Laser triggered Cr:GaAs HV sparkgap with high trigger sensitivity[J].Rev Scl Instrum, 1982,53(6):867-870.

[4] MAZZOLA M S,SCHOENBACH K H,LAKDAWALA V K,et al.Infrared quenching of conductivity at high electric fields in a bulk, copper-compensated,optically activated GaAs switch[J].IEEE,Transactions on Electron Devices,1990,37(12):2499-2505.

[5] SCHOENBACH K H,KENNEY J S,PETERKIN F E,et al.Temporal development of electric field structures in photoconductive GaAs switches[J].Appl Phys Lett.,1993,63(15):2100-2102.

[6] LOUBRIEL G M,ZUTAVERN F J,HJALMARSON H P,et al.Measurement of the velocity of current filaments in optically triggered, high gain GaAs switches [J].Appl Phys Lett.,1994,64(24):3323-3325.

[7] STOUT P J,KUSHNER M J.Modeling of high power semiconductor switches operated in the nonlinear mode[J].J Appl Phys.,1996,79(4):2084-2090.

[8] ZUTAVERN F J,BACA A G,CHOW W W,et al.Semiconductor lasers from photoconductive switch filaments[C]//IEEE Pulsed Power Plasma Science Conf.,Las Vegas,NV,2001(1):170-173.

[9] KAYASIT P,JOSHI R P,ISLAM N,et al.Transient and steady state simulations of internal temperature profiles in high-power semi-insulating GaAs photoconductive switches[J].J Appl Phys.,2001,89(2):1411-1417.

[10] ZUTAVERN F J,GLOVER S F,REED K W,et al.Fiber-optically controlled pulsed power switches[J].IEEE, Transactions on Plasma Science,2008,36(5):2533-2540.

[11] 刘鸿,阮成礼.本征砷化镓光导开关中的流注模型[J].科学通报,2008,53(18):2181-2185.

[12] 刘鸿,阮成礼.高增益砷化镓光导开关中的光致电离效应[J].光学学报,2009,29(2):496-499.

[13] 刘鸿,阮成礼,郑理.砷化镓光导开关的畴电子崩理论分析[J].科学通报,2011,56(9):679-684.

[14] 刘鸿,阮成礼.高增益砷化镓光导开关中的的特征量分析[J].中国激光,2010,37(2):394-397.

[15] LIU H,RUAN C L.“S-shaped” negative differential conductivity of high gain GaAs photoconductive switches[C]//IEEE Lasers amp; Electro Optics amp; The Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics,2009.CLEO/PACIFIC RIM apos;09. Shanghai,China,2009.Conference on Volume,Issue,2009:1-2.

[16] LIU H, RUAN C L.Streamer in high gain GaAs photoconductive semiconductor switches[C]//17th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC2009),Washington, D.C.,USA,2010:663-668.

[17] 刘鸿,郑理,程浩,等.砷化镓光导开关中流注自发辐射实验的理论分析[J].成都大学学报:自科版,2012,31(4):324-326.

[18] 刘鸿,郑理,程浩,等.砷化镓光导开关中流注辐射实验理论分析[J].成都大学学报:自科版,2012,31(2):133-135.

StudyoftheRadiativeRecombinationCoefficientofFilamentsinGaAsPhotoconductiveSemiconductorSwitches

ZHENGLi1，LIUHong2

(1.Department of Mechatronic Engineering ,Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China；2.School of Electronic Information Engineering , Chengdu University, Chengdu 610106, China)

The radiative recombination coefficients of the current filaments in high gain gallium arsenide (GaAs) photoconductive semiconductor switches (PCSS) are studied by using the method of statistical physics in this paper. By analyzing the structure characteristics of the spontaneous emission spectrum and using the simple average method and the normalization condition, it can be approximately determined that the radiative recombination coefficient of 890 nm radiation is 0.1182. The calculated result of radiation energy coincides with the experimental measured result.

optoelectronics; GaAs photoconductive semiconductor switch (PCSS); current filament; radiative recombination coefficient

2013-03-09

成都工业学院院级科研项目“砷化镓光导开关的关键技术的理论研究”(KY1211002A)

郑理(1969- )，女(汉族)，四川成都人，副教授，硕士，研究方向：机电控制、数控技术、光电控制。

TN303

A

2095-5383(2013)02-0010-03