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脉冲功率装置中，开关技术具有十分重要的地位。随着脉冲功率技术的迅速发展，半导体光电导开关以其优良的特性受到了关注。光电导开关是一种超快激光脉冲与半导体相结合形成的新型开关，除具有固体开关结构紧凑的优点外，还具有传统开关所不具有的独特优点，如亚纳秒量级的闭合时间、皮秒量级的时间抖动、极好的同步精度、亚纳亨电感以及光电隔离等，尤其是GaAs、InP等Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物制备的光电导开关可工作在高倍增模式（或称非线性模式，或Lock-on效应），可实现弱光触发，使开关系统可以小型化和集成化。本文针对GaAs光电导开关理论和技术研究中存在的问题，采用实验研究和理论分析相结合的方法，对强电场下半绝缘GaAs光电导开关的非线性模式的物理机制、造成开关损伤的沿面闪络机制、强电场下弱光触发GaAs光电导开关的输出特性、以及用GaAs光电导开关产生超宽带辐射等进行了较为系统、深入的研究。本论文主要完成了以下三方面的研究工作：
（1）非线性模式的机理研究
光激发电荷畴理论模型可以很好的解释高倍增模式下的实验现象，但该模型并没有考虑液封直拉（LEC）法生长的半绝缘GaAs的材料特性，即高密度原生缺陷EL2能级的存在会影响载流子的输运和开关的输出特性。对半绝缘GaAs光电导开关在强电场下进行了实验测试，得到光电阈值附近触发时，开关存在Lock-on延迟现象和电流过冲现象，迄今为止，还没有研究者对此做出较为合理的解释，本文基于EL2能级的电场依赖特性对两种现象做了深入的理论分析，指出由于EL2能级的俘获造成电子载流子密度的衰减和空穴载流子寿命的延长，而后由于强电场下中性EL2能级的声子辅助隧道效应，使载流子热释放形成了光激发电荷畴所需的高的载流子浓度，之后又形成雪崩畴，导致Lock-on效应。Lock-on效应的延迟的时间取决于空穴漂移到阴极的时间和电场强度上升到雪崩碰撞阈值所需时间。所以偏置电场越大，延迟时间越小。
对Lock-on效应中存在的过冲现象，依据EL2能级的强电场特性做了理论解释，强电场下EL2能级的声子辅助隧道效应导致俘获的载流子瞬间释放，使光激发电荷畴前高能载流子浓度升高，由于载流子激发的电场和外电场的叠加造成畴前电场的值远大于雪崩阈值电场。高浓度的高能量载流子和高于阈值的电场强度使雪崩电离率升高，造成更加强烈的碰撞电离，使载流子的倍增率升高。通过分析，指出延迟模式和电流过冲模式都是在电场或光能阈值临届条件下发生的。结合EL2能级的强电场特性，解释了这两种实验现象，补充和完善了光激发电荷畴理论，并为光激发电荷畴的研究和应用提供了思路。
（2）GaAs光电导开关沿面闪络的研究
GaAs光电导开关的损伤是一个非常复杂的物理过程，有表面闪络、局部电击穿、热击穿，这些都会造成开关的各种损伤现象，限制了开关的寿命。本文首先进行了寿命测试实验，总结了实验规律，发现闪络现象往往是在开关工作于非线性模式时发生，且闪络电流滞后于光电流，对比闪络光谱和空气击穿发光光谱，指出材料性能参数的变化与闪络密切相关。理论分析了闪络的形成机制，提出由于高场畴的形成造成表面处极不均匀的电场分布是闪络形成的关键，电流的热效应造成的气体解吸附导致了闪络电压的降低，提出沿面闪络发生在开关绝缘封装和空气的界面处，其实质上是诱发了开关表面的气体击穿放电。并对比了3个大气压下SF6介质绝缘环境中的闪络，发现闪络电压相对于空气中提高了一倍，从而验证了闪络机制的正确性。分析了钝化层和固体绝缘封装对闪络电压的影响，认为钝化降低了开关材料表面的表面态密度，抑制了表面缺陷俘获载流子造成的表面处电场的不均匀分布，从而使闪络电压提高。而绝缘强度非常高的透明绝缘封装的使用，从两个方面抑制了闪络的形成，一是较大的介电常数，使由于介质的极化造成表面电场减弱；二是抑制了气体的解吸附，从而提高了闪络电压。通过实验验证，证实了有绝缘封装比没有绝缘封装时的闪络电压要高得多。分析了开关的体击穿特性，指出开关在远小于其击穿场强下的体击穿实质上是热击穿，热击穿会导致电极的脱落和由于热膨胀造成的内应力使材料碎裂。
（3）进行了半绝缘GaAs光电导开关强场下的瞬态触发的应用研究。
分别用纳秒、皮秒、飞秒脉宽的激光脉冲触发的GaAs光电导开关，在强电场偏置下进行了超宽带电磁波辐射实验，得到了带宽为8GHz的超宽带电磁辐射。分析指出，辐射带宽由开关输出的电脉冲的上升时间来决定，提高开关的时间响应可以提高带宽，但是输出电流得不到高增益，功率受到了限制，因而对于兼顾增益和带宽要综合考虑。用单脉冲能量为1.6μJ的激光二极管触发半绝缘GaAs光电导开关，得到了激光二极管触发GaAs光电导开关输出的线性脉冲和非线性脉冲，获得了6kV偏置下，电流大于1kA的大电流输出。但弱光触发下，工作于强电场下的GaAs光电导开关，往往易发生闪络。基于EL2能级的俘获和热发射机制对GaAs光电导开关线性模式下的输出脉冲展宽特性进行了分析。首次在实验中观察到GaAs光电导开关在非线性模式下输出的电流脉宽小于触发激光脉冲的宽度，从理论上用光激发电荷畴的猝灭模式解释了这种现象。
（1）非线性模式的机理研究
光激发电荷畴理论模型可以很好的解释高倍增模式下的实验现象，但该模型并没有考虑液封直拉（LEC）法生长的半绝缘GaAs的材料特性，即高密度原生缺陷EL2能级的存在会影响载流子的输运和开关的输出特性。对半绝缘GaAs光电导开关在强电场下进行了实验测试，得到光电阈值附近触发时，开关存在Lock-on延迟现象和电流过冲现象，迄今为止，还没有研究者对此做出较为合理的解释，本文基于EL2能级的电场依赖特性对两种现象做了深入的理论分析，指出由于EL2能级的俘获造成电子载流子密度的衰减和空穴载流子寿命的延长，而后由于强电场下中性EL2能级的声子辅助隧道效应，使载流子热释放形成了光激发电荷畴所需的高的载流子浓度，之后又形成雪崩畴，导致Lock-on效应。Lock-on效应的延迟的时间取决于空穴漂移到阴极的时间和电场强度上升到雪崩碰撞阈值所需时间。所以偏置电场越大，延迟时间越小。
对Lock-on效应中存在的过冲现象，依据EL2能级的强电场特性做了理论解释，强电场下EL2能级的声子辅助隧道效应导致俘获的载流子瞬间释放，使光激发电荷畴前高能载流子浓度升高，由于载流子激发的电场和外电场的叠加造成畴前电场的值远大于雪崩阈值电场。高浓度的高能量载流子和高于阈值的电场强度使雪崩电离率升高，造成更加强烈的碰撞电离，使载流子的倍增率升高。通过分析，指出延迟模式和电流过冲模式都是在电场或光能阈值临届条件下发生的。结合EL2能级的强电场特性，解释了这两种实验现象，补充和完善了光激发电荷畴理论，并为光激发电荷畴的研究和应用提供了思路。
（2）GaAs光电导开关沿面闪络的研究
GaAs光电导开关的损伤是一个非常复杂的物理过程，有表面闪络、局部电击穿、热击穿，这些都会造成开关的各种损伤现象，限制了开关的寿命。本文首先进行了寿命测试实验，总结了实验规律，发现闪络现象往往是在开关工作于非线性模式时发生，且闪络电流滞后于光电流，对比闪络光谱和空气击穿发光光谱，指出材料性能参数的变化与闪络密切相关。理论分析了闪络的形成机制，提出由于高场畴的形成造成表面处极不均匀的电场分布是闪络形成的关键，电流的热效应造成的气体解吸附导致了闪络电压的降低，提出沿面闪络发生在开关绝缘封装和空气的界面处，其实质上是诱发了开关表面的气体击穿放电。并对比了3个大气压下SF6介质绝缘环境中的闪络，发现闪络电压相对于空气中提高了一倍，从而验证了闪络机制的正确性。分析了钝化层和固体绝缘封装对闪络电压的影响，认为钝化降低了开关材料表面的表面态密度，抑制了表面缺陷俘获载流子造成的表面处电场的不均匀分布，从而使闪络电压提高。而绝缘强度非常高的透明绝缘封装的使用，从两个方面抑制了闪络的形成，一是较大的介电常数，使由于介质的极化造成表面电场减弱；二是抑制了气体的解吸附，从而提高了闪络电压。通过实验验证，证实了有绝缘封装比没有绝缘封装时的闪络电压要高得多。分析了开关的体击穿特性，指出开关在远小于其击穿场强下的体击穿实质上是热击穿，热击穿会导致电极的脱落和由于热膨胀造成的内应力使材料碎裂。
（3）进行了半绝缘GaAs光电导开关强场下的瞬态触发的应用研究。
分别用纳秒、皮秒、飞秒脉宽的激光脉冲触发的GaAs光电导开关，在强电场偏置下进行了超宽带电磁波辐射实验，得到了带宽为8GHz的超宽带电磁辐射。分析指出，辐射带宽由开关输出的电脉冲的上升时间来决定，提高开关的时间响应可以提高带宽，但是输出电流得不到高增益，功率受到了限制，因而对于兼顾增益和带宽要综合考虑。用单脉冲能量为1.6μJ的激光二极管触发半绝缘GaAs光电导开关，得到了激光二极管触发GaAs光电导开关输出的线性脉冲和非线性脉冲，获得了6kV偏置下，电流大于1kA的大电流输出。但弱光触发下，工作于强电场下的GaAs光电导开关，往往易发生闪络。基于EL2能级的俘获和热发射机制对GaAs光电导开关线性模式下的输出脉冲展宽特性进行了分析。首次在实验中观察到GaAs光电导开关在非线性模式下输出的电流脉宽小于触发激光脉冲的宽度，从理论上用光激发电荷畴的猝灭模式解释了这种现象。