砷化镓(Gallium arsenide,GaAs)光电导开关非线性工作模式的发现,使所需的触发光能量比线性工作模式低3到5个数量级,使激光二极管等小型光源替代大型激光器触发光电导开关产生强电流成为可能。本论文使用单个脉冲激光二极管作为光源触发GaAs光电导开关,研究了偏置电场、储能电容、触发光斑位置和开关温度对开关输出脉冲的影响;同时开发了蒙特卡罗模拟软件,研究了开关非线性工作模式下丝状电流、锁定效应、倍增效应、存在光电阈值等特性的形成机理。具体完成了以下工作:(1)研究了弱光触发下偏置电场和储能电容对GaAs光电导开关的影响。在激光二极管单脉冲能量为1.6μJ的情况下,逐步增加偏置电场至24 kV/cm,在光电导开关由线性模式逐步过渡到非线性模式的过程中,分析对比了超快光电导过程对应的倍增效应。考察了储能电容对输出电脉冲宽度的影响,结果表明电容越小脉宽越窄。特别是,当储能电容为10 pF时,获得了纳秒级输出电脉冲,该现象与电容器中电荷的快速耗尽有关。(2)研究了弱光触发下触发光斑方向、位置及开关温度对光电导开关进入非线性模式电场阈值的影响。当光斑平行电极触发时,光斑中心到阴极距离等间隔从0.2 mm到2.8mm时,电场阈值按线性规律由15 k V/cm增加到22 kV/cm;当光斑垂直电极时,随着光斑中心到阴极距离等间隔从0.0 mm增加到2.2 mm,电场阈值先由27 kV/cm左右减少到16 kV/cm,然后再升高到27 kV/cm,呈现出类抛物线型规律。其中,触发光斑贯穿阴阳电极时电场阈值最小。激光二极管单脉冲能量为1.6μJ时,考察了温度对开关电场阈值的影响。光斑垂直于电极时,随着温度从-12°C增加到24°C,电场阈值线性减小;对于同样的温度变化范围,在光斑平行于电极的情况下,电场阈值与温度之间不再满足线性关系。开关内部的Franz-Keldysh效应和热效应能够解释温度对电场阈值的影响。(3)基于已有光激发电荷畴理论,结合蒙特卡罗方法开发了针对GaAs光电导开关非线性工作模式的仿真软件。在具体的仿真设计中,充分考虑了光激发电荷畴理论的两种核心机制,对碰撞电离和载流子辐射复合再吸收进行了建模。其中,碰撞电离是载流子倍增的基础,载流子辐射复合再吸收是电荷畴形成和快速传播根本原因。通过对电子碰撞电离和空穴碰撞电离两种机制的考察,给出了GaAs材料的负微分特性、电子在各能谷的布居率及速场关系,考察了GaAs光电导开关线性和非线性工作模式中的主要机制。(4)结合对光激发电荷畴形成、输运过程的模拟,研究了弱光(微焦量级)触发下GaAs光电导开关进入非线性工作模式的物理过程。结果表明,弱光触发下Ga As光电导开关中光生载流子的聚束输运特性形成需具备两个条件:(a)负微分电场,即偏置电场大于4.0 kV/cm;(b)能够让自建电场与偏置电场具有可比性的光生载流子浓度,大约为1.0×1013 cm-3,处于弱光光源触发范围。验证了GaAs光电导开关非线性工作模式的基本过程,包含电子稠密区域形成、电荷畴形成、丝状电流形成、丝状电流生长和丝状电流吸收5个阶段;丝状电流传播速度的模拟结果为2.0×108 cm/s,整体形态呈树状形式发展,与用红外荧光拍摄的结果相符;解释了开关输出具有超快上升沿的原因是高浓度丝状电流头部被电极快速吸收的直接结果。基于空穴碰撞电离和电子碰撞电离两种机制,分析了载流子倍增效应和锁定效应。通过对载流子浓度和偏置电场对光电导开关内部输运特性的影响,给出了GaAs光电导开关非线性工作模式存在光电阈值的原因。