GAAS光电导开关产生太赫兹电磁波的实验及理论分析

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1、西安理工大学博士学位论文GaAs光电导开关产生太赫兹电磁波的实验及理论分析姓名：贾婉丽申请学位级别：博士专业：微电子与固体电子学指导教师：施卫20070601GaAs光电导开关产生太赫兹电磁波的实验及理论分析学科：微电子学与固体电子学作者：贾婉丽导师：施卫教授答辩日期：2007．6签名：覆均锄j劬摘要半导体光电导开关是利用超快激光器与光电导体(例如：Si、InP、GaAs)相结合形成的一类新型器件．20世纪90年代初，随着超快激光脉冲技术的发展，人们发现光电导开关在受激光脉冲照射后，除体内能产生可被利用的电脉冲之外，还可向外辐射超宽带电磁波甚至太赫兹频率的电磁波

2、，为人们研究太赫兹电磁波提供了有力的工具．物质的1Hz光谱(包括发射、反射和透射)包含有丰富的物理和化学信息，它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文，尤其是在卫星通讯和军用雷达、国防安检等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景，因此，太赫兹技术已成为当今科学研究的热门课题，世界各国都争相发展自己的太赫兹技术。’本论文对GaAs光电导开关为偶极辐射天线产生高功率太赫兹电磁波的技术进行了研究，，主要完成了以下几方面的工作：进行了光电导开关辐射太赫兹波的实验；以半绝缘GaAs光电导开关作为偶极辐射天线，实验比较了3∞、6m两种电极间隙的裸片天线和表面钝化Si扎天线

3、(以下简称钝化天线)辐射的太赫兹波．实验结果表明了表面钝化绝缘保护层的光电导天线辐射的太赫兹波电场强度明显高于同间隙裸片天线。解释了光电导天线辐射太赫兹波的时域特性的物理本质：采用蒙特卡罗方法，模拟了GaAs光电导开关作为辐射天线在飞秒激光脉冲触发下光生载流子在外加偏置电场作用下的动力学行为，获得了与实验吻合较好的展宽性模拟结果，通过载流子的动力学行为分析了太赫兹波展宽的物理机制·分别利用数值方法和蒙特卡罗方法，模拟了低温Gaas和半绝缘GaAs光电导天线辐射太赫兹波的双极特性·较好地解释了低温C,aAs和半绝缘Gaas光电导天线辐射太赫兹波双极特性的不同物理机

4、制。模拟了不同实验条件下C,aAs光电导天线辐射太赫兹波体内电场的分布以及空间电荷屏蔽效应对辐射太赫兹波的影响．根据时域空间电场分布分析了高能量激光脉冲触发低压偏置的GaAs开关，太赫兹波辐射功率受限的主要原因，和高能量飞秒激光脉冲以不同方式触发(全电极问隙、部分电极间隙)天线对太赫兹波的影响．提出了一种适合计算光电导天线辐射太赫兹波功率的公式：基于拉曼公式，提出了适合计算光电导天线辐射太赫兹波功率的公式，并以此公式计算了不同实验条件下光电导天线辐射的太赫兹波功率：比较了大孔径天线和小孔径天线在相同的实验条件下辐射的太赫兹波功率，解释了两种电极间隙的天线产生不同

5、功率太赫兹波的物理机制．西安理工大擘博士学位论文提出了解释光电导开关非线性模式的新观点：基于^uston光电导开关等效电路模型，模拟了光电导开关在飞秒激光脉冲触发下辐射太赫兹波过程中，光电导开关的传输特性、电介质弛豫特性、开关储能特性以及开关工作模式。模拟结果比较好地吻合了实验中OaAs光电导开关工作模式特点，即只有在触发光能和偏置电场都大于光电导开关产生非线性电脉冲所需阈值时，电脉冲呈现非线性，除此之外电脉冲都为线性。从载流子的散射机制和空问电荷高场区的形成过程，解释了光电导开关非线性工作模式存在电场阈值和光能阙值的物理本质：存在电场阈值的实质是，偏置电场要高

6、于耿氏电场才能使载流子能够从电场中获得足够的能量发生低能谷向高能谷的散射，形成负阻效应．对光能阙值的要求，实际上是需要光激发足够数量的载流子发生谷问散射，形成局部高场区，电场变化大，电场弛豫时间长，电脉冲呈现非线性。模拟结果预示了存在用非线性光电导方法产生太赫兹波的可能性，为在实验上实现用非线性光电导方法产生太赫兹波奠定了理论基础．关键词：太赫兹电磁波，GaAs光电导开关，偶极天线，蒙特卡罗方法，空间电荷电场，屏蔽效应，负阻效应本研究得到了国家自然科学基金(批准"号：10390160,10376025和50477011)和国家重大基础研究前期专项基金(批准号：2

7、004CCA045000)的资助。n摘要ExperimentalandTheoreticalAnalysisofTHzGeneratedbyGaAsPhotoconductiveSwitchesSpeciality：micro-electronicsandSolidelectronics．．．．．．．．Candiate：王!垒丛蔓(signature)Supervisor：：；蕴＆匕立!(signatIlrc)Tiffe：里投￡竖sQ!ABSTRACTPhoto-ConductiveSemiconductorSwitchtress)isahybriddevice

8、whichcompris