光电导开关的常用结构简介

光电导开关的常用结构有1975年Auston提出的横向结构（见图4-97a），1982年C.S.Chang等人提出的同轴线型Blumlein结构（见图4-97b）和Maurice等人提出的纵向结构（见图4-97c）。

综合以上3种结构，可根据光电导开关的偏置电场和触发光脉冲入射方向之间的关系将光电导开关分为横向结构和纵向结构。横向结构是指触发光脉冲的入射方向与开关偏置电场方向垂直的结构（见图4-98a）；纵向结构则是指触发光脉冲的入射方向与开关偏置电场方向平行的结构（见图4-98b）。

图4-97 PCSS3种常见结构

a）Auston横向结构 b）同轴线型Blumlein结构 c）纵向结构

图4-98 PCSS基本结构

a）横向结构 b）纵向结构

横向结构的光电导开关制作简单，并且光吸收区位于开关的活性区，可用较宽波长范围的光来触发。但是横向结构的偏置电场在开关工作时是穿通开关整个表面的，这就使开关的表面击穿强度远小于材料的本征击穿，常常会出现表面闪络或延面放电等现象，从而大大限制了开关的耐压。

纵向结构的光电导开关可以通过减小开关表面电场来提高开关的击穿电压，但是纵向光电导开关的电极间距受到开关芯片厚度的限制，使开关的耐压强度受到一定限制。而且纵向开关的电极至少有一个是透明电极，该电极通常是用金属栅、非常薄的金属层或外延生长掺杂的半导体薄层来制作，这就增加了制作开关的难度。由于结构的特殊而不易实现均匀导通，必须选用波长较长的触发光增加穿透深度。综上比较，在制作大功率PCSS时主要采用的都是横向结构的开关（以下若未说明皆针对横向结构开关）。(www.xing528.com)

横向结构和纵向结构光电导开关，其本体皆由3部分构成：光导芯片材料，电极和传输线以及绝缘封装。

1.光导芯片材料

PCSS的芯片材料要求载流子寿命短、载流子迁移率高、材料的暗态电阻率大。光导芯片材料可以是片状、块状或直接在衬底上镀膜形成。传统的光电导开关材料有：Si、GaAs、Cr：GaAs、Fe：InP、金刚石等。另外在超短脉冲应用中最常用的3种光电导材料是：辐射损伤的Si-蓝宝石（SOS）、辐射损伤GaAs、相关多量子阱低温生长的GaAs和相关的异质结构。

因GaAs材料复合系数较大、载流子寿命短、禁带宽度宽、介电常数大且是直接跃迁半导体材料，故其具有更佳的光电导开关特性。现在大多数光电导开关采用GaAs材料制成。同时SiC由于其带隙宽、击穿电场高、饱和迁移率高和热导率高，也是一种很有发展潜力的光电导开关材料。金刚石材料具有较宽的能隙和极高的绝缘电阻，可以承受较大的电压，也一度被认为最具有发展前途的材料。

2.电极和传输线

PCSS的电极需要采用欧姆接触，其制作方法包括浅扩散、合金再生长、包含在接触材料中的掺杂剂的内扩散、双外延和离子注入等。另外，由于光电导开关工作在纳秒到皮秒时域，其输出的电磁脉冲以微波的形式传导，所以开关的输入线、输出线都采用微带线结构，目的是保证产生的超短电脉冲信号波形不会因为在微波频率下受色散和功率衰减等因素的影响。开关电极的形状和欧姆接触的制造都严重影响着开关的击穿特性，从而成为影响开关寿命的主要因素之一。

3.绝缘封装

通常光电导开关的基体绝缘材料的本征击穿电场强度很高，但是由于表面击穿、电极的结构与形状、热击穿等因素使光电导开关的击穿电场强度通常较本征击穿电场强度小许多。如GaAs的本征击穿电场强度高达250kV／cm，但是在不加任何绝缘保护措施的情况下，其表面击穿电场强度约为10kV／cm。因此为了增加表面耐压能力，需要在PCSS外加绝缘封装。同时绝缘封装材料的选取不仅要考虑增强击穿场强，还需要考虑激发光束的投射率的问题。

常用的绝缘封装方式有气体、液体和固体3种。已有的研究表明，SF₆气体绝缘击穿电场强度达26.6kV／cm，绝缘油保护的击穿电场强度为20kV／cm，高纯水绝缘条件下PCSS击穿电场强度达145kV／cm。气液绝缘方式都使得开关结构复杂、体积庞大。而采用多层透明固态介质绝缘封装技术（如Si₃N₄及新型有机硅凝胶双层绝缘，其暗态维持电场强度达35kV／cm）使得光电导开关的制作工艺大为简化。