非线性工作模式：挑战与机遇

在强电场下，由GaAs、InP等III-V族半导体制作的PCSS在短脉冲激光触发时呈现出引发、维持、恢复3过程（见图4-99b），此时光电导开关工作在非线性模式，又称为高倍增模式或锁定（Lock-on）模式。在其他的GaAs材料的器件中也有类似的锁定现象。此模式下的PCSS与线性模式在机理上存在很大的区别。

1.非线性模式产生条件

只有当开关芯片的能带结构为多能谷（例如：GaAs，InP，ZnSe等）时，才会出现强电场下的高倍增模式，而且存在光、电阈值。电场阈值比材料本征雪崩阈值小一个数量级，光能阈值亦比线性模式触发光能小约3个数量级。光电阈值关系表现为入射光能越大，所需的电场阈值就越低；入射光能越小，所需的电场阈值就越高。另外也有文献指出锁定效应产生前，光电导开关内部存在载流子的积累过程。同时也有人提出除了光、电阈值外，非线性模式的产生需要开关内部载流子积累到一定的阈值浓度。

2.延迟

图4-100 非线性模式下延迟

a）触发光 b）电流输出波形

线性模式PCSS的响应很快，电脉冲输出与光脉冲激励之间基本上没有延迟。然而在非线性工作模式下，PCSS的输出电脉冲与光脉冲激励之间存在着明显的延迟。此时延迟可分为两部分：引发阶段延迟（见图4-100中t₁），即触发光脉冲的作用与开关导通之间存在的延迟（一般为纳秒量级），偏压越高，此延迟时间越短；Lock-on效应的时间延迟（见图4-100中t₂），此延迟可到微秒量级。非线性模式下的延迟时间与入射光脉冲的能量、开关的偏置电压、半导体材料的特性等因素有着密切的关系。偏压越高，触发光能越大，延迟时间越短。同时增大光生载流子产生率也可以减小输出电脉冲延迟时间。

3.短上升时间和超快电子表观迁移率

在非线性模式下工作时，即使有较长的延迟时间，电流的上升时间也很短，一般为纳秒量级。电脉冲的上升时间可远小于触发光脉冲的上升时间，同时上升时间随着触发前外加偏压的增大而缩短。在高的偏置电压下，锁定电流脉冲的上升时间甚至比触发光脉冲宽度要短。此时，开关内载流子以10⁸cm／s的表观速度穿越电极间隙，比强电场下载流子的饱和漂移速度（10⁷cm／s）高一个数量级，形成特有的超快特性。(www.xing528.com)

4.自由载流子倍增

在非线性工作模式下工作的光电导开关，光照后得到的自由载流子浓度比光生载流子浓度大10³～10⁵倍，输出的电脉冲电流很大。在开关内部存在一个类似于载流子“雪崩”倍增的过程，而光在此过程中仅仅起到触发和引导作用。因此非线性模式下的PCSS的触发光能通常较线性模式低3～5个数量级，此特性有利于实现PCSS触发光设备的小型化。

5.锁定效应

开关开通后，若外电路能提供足够的能量，即使光脉冲熄灭，仍然能保持导通状态。此时开关内部的电场锁定于一个只与开关材料有关的常数值，这种现象称为“锁定效应”。PCSS的锁定电场与外电路所加的偏置电压及触发光能量均无关，仅与材料本身的性质（材料种类、掺杂物类型、器件结构和温度等）有关，此时流过开关的电流主要由外电路所决定。可见，强电场下的PCSS在光脉冲撤去后，开关体内存在新的载流子产生和输运机制。

当外电路的电场低于其锁定电场时，开关便立即恢复到触发前的高阻状态。开关的恢复时间仍然由载流子的寿命来决定，一般在几十纳秒范围。若此时电场迅速增至等于或大于锁定电场时，PCSS将回到锁定阶段。

6.丝状电流

光电导开关导通时，大的电流密度在有限的开关体内以丝状的形式传导。此时，开关内存在很强的带隙复合辐射，向外辐射一定频率的电磁波。而且，电流丝的传播速度仅比基体材料中光速略小，远远大于基体材料中电子饱和漂移速度。

非线性工作模式的优点是触发光脉冲能量比线性模式下低几个数量级，同时输出的电流却远大于光生载流子所产生的电流，使低能触发大电流成为可能。但是，对于非线性模式的工作机理至今只是提出了多种理论模型（如与电场有关的载流子俘获模型、雪崩注入模型、畴至碰撞电离注入增强模型、深能级杂质碰撞电离模型、双载流子注入模型、多电荷畴模型和高浓度载流子碰撞电离模型等）却没有一种理论和模型可以全面地解释这种模式下观察到的各种现象。

PCSS开关的非线性模式的产生是多种物理机制共同作用的结果。现在普遍认为，非线性模式产生与多能谷结构带来的强场下的耿氏效应、开关体内的陷阱填充、本征碰撞电离和深能级碰撞电离等有关。