基于带 p-n 结高压硅结构的纳秒与皮秒光电子开关 III. 自热效应

首次对基于带 p-n 结的垂直高压结构（VPSS）并在高频模式下工作的皮秒光电子开关的自热效应进行了理论研究。研究表明，控制辐射吸收系数 $k(T)$ 的强温度依赖性是决定最大开关频率 $f_{max}$ 及相应最大晶体温度 $T_{max}$，以及器件面积上温度 $T$ 和电流密度 $j$ 分布的主要因素。对嵌入双同轴形成线中的 VPSS 最简单电热模型的二维分析表明，开关频率 $f$ 的增加导致电流向温度最低的设备外围位移。然而，若 $f < f_{max}$ 且 $T < T_{max}$，器件面积上的 $T$ 和 $j$ 分布保持稳定。当然，$f_{max}$ 和 $T_{max}$ 的值取决于控制辐射脉冲能量、脉冲开关功率和散热条件。对于基于非直接带隙半导体（Si、SiC）的 VPSS，它们在 20-120 kHz 和 120-160 $^o C$ 范围内变化，足以实际应用。然而，基于直接带隙半导体（GaAs、InP）的 VPSS 由于 $k(T)$ 依赖过于陡峭，实际上不适合在高频模式下工作。