半导体光导开关测试系统开发及其电学性质的研究

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光导开关是一种利用半导体材料受到激光照射,产生光生载流子实现阻抗的急剧变换,从而使电路关断或导通的半导体开关。它具有光电分离、响应快速、高重频、高耐压、皮秒时间精度、寄生参数小以及结构紧凑等优点。为了研究测试光导开关样品的实际工作性能,本文从光导开关的电学性质入手,分析半导体光导开关工作环境的需求,搭建了一套光导开关测试平台,并对光导开关工作状态进行仿真模拟,研究测试光导开关的各项工作参数。另一方面通过解决实验平台搭建遇到的技术问题,对光导开关测试系统的性能做进一步优化。通过研究碳化硅和砷化镓两种光导开关材料的工作特性和工艺技术,学习了解主流光导开关设计方案,分析光导开关测试平台的功能需求和结构设计。选用了以半导体激光二极管作为触发器件,Blumlein传输线作为系统输出和光导开关的承载结构,详细论述实验平台电路组件的设计和解决问题的过程。半导体激光二极管替代传统YAG激光器作为触发器件,有着成本低、体积小的优势,其产生的激光脉冲足够使光导开关导通。它的驱动电路包含储能和控制两个部分,驱动控制功能采用金属氧化物半导体开关(MOSFET)实现。为了实现快速导通MOSFET来控制电容放电以及电路保护等功能,选取并分析了多种方案和元件,并通过仿真和实验对比做出了一定优化。分析研究Blumlein传输线实现倍压的工作原理,对光导开关的输出结构的寄生参数进行了模拟仿真,使用CST软件分析了不同材料衬底和不同尺寸对实验结果和输出效率的影响。综合寄生参数、衬底材料和结构尺寸对输出的影响,设计出了单层二倍压的微带Blumlein线,使用Altium Designer完成了传输线的实际制作。本文在完成电路系统和传输线结构的加工和装配工作后,对多个光导开关样品进行了触发实验,测试了平台实际工作性能,包括稳定性和可操作性等。根据实验过程中遇到的问题对平台结构进行进一步的优化。实验得到了光导开关样品在线性与非线性工作状态下较为稳定的输出波形,并在重频状态下记录了光导开关的工作性能和样品的外观。完成了光导开关测试平台的基本功能,并得到了较为可信的实验数据。
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