电子科技大学：《超宽带电磁学及应用》课程教学资源（课件讲稿）第3章 PCSS工作机理

电士件越女学 Bversity af Eleetreale Sclenc and Techaology af Chisa /95 第三章PCSS信号源 3.1PCSS实验与理论研究现状 3.1.1PCSS理论研究现状 光吸收机理 核心问题 载流子微观运动规律及强电流形成机理 。 基于EL2能级假设的微观机理研究 光吸收机理 基于能带弯曲基础的光吸收机理 表面态、杂质能级、缺陷与空位形成禁带能级

3.1 PCSS实验与理论研究现状 3.1.1 PCSS理论研究现状 • 光吸收机理 • 载流子微观运动规律及强电流形成机理 核心问题 光吸收机理 基于EL2能级假设的微观机理研究 基于能带弯曲基础的光吸收机理 表面态、杂质能级、缺陷与空位形成禁带能级

电子件越女学 versity af Eleetreale Sclenc and Techology ef Chia 966 第三章PCSS信号源 陷阱填充和电荷注入模型(.H.Yee,G.H.Khanaka) 唯象模型 高场区雪崩双注入模型(H M Zhao,P.Hadizad) 两个施主能级起重要作用的非线性模型(Brinkmann 脉冲形成机理 光学活性模型(Dougal) 高场强下载流子分布规律 微观机理 高场强、不同浓度下载流子微观运动、散射、复合 强电流形成机理

陷阱填充和电荷注入模型 (J.H.Yee, G.H.Khanaka ) 高场区雪崩双注入模型 (H M Zhao, P. Hadizad ) 两个施主能级起重要作用的非线性模型 (Brinkmann ) 光学活性模型 (Dougal ) 唯象模型微观机理 高场强下载流子分布规律 高场强、不同浓度下载流子微观运动、散射、复合 强电流形成机理 脉冲形成机理

电士件越女学 ftyf日ectreale8 clec and Tecology af C国 /956 第三章PCSS信号源 3.1.2PCSS实验研究现状 PCSS研制工艺问题→高功率输出、长寿命、高重频 核心问题 集成化问题 →光激励系统小型化 ·倍压与匹配网络 →Blumlein形成线及匹配设计 较低功率、超快、长寿命、高重频→超快电路、宽谱测试、瞬态检测 ·较高功率、窄脉宽、较高重频 →冲激雷达、宽谱测试、微波功率 •高功率、较宽脉宽、低重频 →电磁干扰、点火装置、微波功率 ·左手材料衬底 →THz器件

• 较低功率、超快、长寿命、高重频  超快电路、宽谱测试、瞬态检测 • 较高功率、窄脉宽、较高重频  冲激雷达、宽谱测试、微波功率 • 高功率、较宽脉宽、低重频  电磁干扰、点火装置、微波功率 • 左手材料衬底  THz器件 • PCSS研制工艺问题  高功率输出、长寿命、高重频 • 集成化问题  光激励系统小型化 • 倍压与匹配网络  Blumlein形成线及匹配设计 核心问题 3.1.2 PCSS实验研究现状

电子件越女学 Batversity af Electreale Sclec ad Tochaology afChina 第三章PCSS信号源 3.2半导体材料的光吸收机理 3.2.1半导体材料光吸收机制概述 10 0.9 10 16K ⊙ hM ev 0a18415151g1胡1901z1话1.4 30 135 140145150 10 10-1 10-2 Mm(eV) photon energy(ev) GaAs半导体光吸收的各种机制 GaAs半导体光吸收岁随温度的变化规律 GaAs光吸收限 001 5天下Ge激子吸收 2 1.90d 010 11.708 1.424 0 034 G..的能带结构 (m 100] (m QS1导桥等能面 b GaAs导桥等能面 [11→[10 图3.1Si,GaAs导带等能面示意图

3.2 半导体材料的光吸收机理 GaAs 半导体光吸收的各种机制 h( eV) GaAs半导体光吸收岁随温度的变化规律 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 absorb factor(cm -1) photon energy(eV) GaAs光吸收限 1.2 K 下 G a As激 子 吸 收 G a As的 能 带 结 构 3.2.1 半导体材料光吸收机制概述

电士件越女学 ftyf日ectreale8 clec and Tecology af C国 /95 第三章PCSS信号源 量子力学计算Franz-Keldysh?效应，吸收限附近吸收系数满足 2a(2z)》w-E,xa-,” 3.2.1) n m f具有1的数量级的缓变函数 存在外加电场时，如果hKEg, 吸收系数随电场的变化满足 a-购] (3.2.2) 120 10 15 10 1.55 160 photon energy(ev)

量子力学计算Franz-Keldysh效应，吸收限附近吸收系数满足 1/ 2 1/ 2 3 / 2 2 0 2 0 2 ( ) ( ) 2π 2 g g r cV r E E h m f n m cq                  fcV具有1的数量级的缓变函数 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 absorb factor(cm -1) photon energy(eV) 存在外加电场时，如果 h<Eg，吸收系数随电场的变化满足 (3.2.1) 3 1 2 2 ( ) 1        m r h qE h  (3.2.2)

电士件越女学 Batversity af Electreale Sclec ad Tochaology afChina /956 第三章PCSS信号源 3.2.2高场强下隧穿效应引起的光吸收 ()势垒函数 三角形势垒宽度d为 E。-hoE d 三 (3.2.1) qs 95 电子在三角形势垒中的势函数为 U(x)=-5 3.2.2) 2)薛定谔方程及求解

3.2.2 高场强下隧穿效应引起的光吸收 (1) 势垒函数 三角形势垒宽度d 为    q E q E d g     电子在三角形势垒中的势函数为 (3.2.1) U( x)  qx (3.2.2) (2) 薛定谔方程及求解

电士件越女学 ftyf日ectreale8 clec and Tecology af C国 /95 第三章PCSS信号源 将3.2.2式代入定态薛定谔方程，可得 h'do (3.2.3) 2m,dx' -4r5种=Eb 其中mm*为电子的有效质量，令 -(广-+制为 (3.2.4) 3.2.3式的近似解为

将3.2.2式代入定态薛定谔方程，可得    qx E m x n    2 2 * 2 d d 2  (3.2.3) 其中mn *为电子的有效质量，令 1/ 3 * 2 2        m nqE     1          q E y x (3.2.4) 3.2.3式的近似解为

电士件越女学 ityf日ectreale8 clec and Tecology af C国 /956 第三章PCSS信号源 =yn3） (3.2.5) 势垒贯穿的几率应正比于波函数模的平方，于是吸收系数应α为 4√2m(E。-ho)3 a=a,exp 3.2.6 3h5 5x10 其中，%，被认为与吸收限相等 4x10 310 Breakdown filed 3.2.3高偏置电场下光吸收系数实验验证 2x10 ()郎伯定律与光生载流子浓度 10' 10 10 Electric field(kV/cm) GaAs吸收系数随偏量电场的变化

        1/ 4 3 / 2 3 2  y exp y (3.2.5) 势垒贯穿的几率应正比于波函数模的平方，于是吸收系数应为              q m n E g   3 4 2 ( ) exp * 3 / 2 0 (3.2.6) 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 1x10 3 2x10 3 3x10 3 4x10 3 5x10 3 absorption factor(cm -1) Electric field(kV/cm) GaAs吸收系数随偏置电场的变化 Breakdown filed 其中，0被认为与吸收限相等 (1) 郎伯定律与光生载流子浓度 3.2.3 高偏置电场下光吸收系数实验验证

电士件越女学 ftyf日ectreale8 clec and Tecology af C国 /95 第三章PCSS信号源 I()=I exp(-az) (3.2.7) 在什dt、zz+dz、ds微元内，半导体基片吸收的光能为 ds=-al,exp(-az)dsdzdt =-al(z)dsdzdt (3.2.8) 如果激励半导体材料的激光脉冲为时间和空间上的高斯脉冲 n-2r,- 3.2.9) r2=x2+y2,1表示z0、=0、0时的光强，rp Laser beam 光斑半峰值空间半径，T表示半峰值时宽 图3.22朗白光服收定律

( ) exp( ) 0 I z  I z (3.2.7) 在t~t+dt、z~z+dz、ds 微元内，半导体基片吸收的光能为 I z s z t I z s z t d op   0 exp( )d d d   ( )d d d (3.2.8) 如果激励半导体材料的激光脉冲为时间和空间上的高斯脉冲          t  z T r r I r z t I op op  2 2 2 0 2 ln(2) 4ln(2) ( , , ) exp (3.2.9) r 2=x2+y 2 ，I0表示z=0、r=0、t=0时的光强，rop 光斑半峰值空间半径，Top表示半峰值时宽

电士件越女学 ftyf日ectreale8 clec and Tecology af C国 第三章PCSS信号源 利用光强与光能的关系 =j-af2r地-ag2r 3.2.10) 将3.2.10式代入3.2.9式 I(r,z,)= （m22- 3.2.11)

利用光强与光能的关系 t t T r r r r I r t s t I op op d 4ln(2) d exp ln(2) ( , )d d 2π exp 2 2 0 0 2  0  2                       ln 2 2 π 2 0 3 / 2 op T op I r        (3.2.10) 将3.2.10式代入3.2.9式                 t z T r r T r I r z t op op op op op   2 2 2 2 3 / 2 2 ln2 4ln2 exp π 2 ln2 ( , , ) (3.2.11)