Мощные оптоэлектронные коммутаторы нано- и пикосекундного диапазона на основе высоковольтных кремниевых структур с $p$–$n$-переходами III. Эффекты саморазогрева

Впервые теоретически изучены эффекты саморазогрева оптоэлектронных коммутаторов на основе вертикальных высоковольтных структур с $p$–$n$-переходами (Vertical Photoactivated Semiconductor Switch – VPSS) при работе в высокочастотном режиме. Показано, что сильная зависимость коэффициента поглощения $\kappa(T)$ управляющего излучения от температуры $T$ является основным фактором, определяющим максимальную частоту коммутации $f_{\operatorname{max}}$ и соответствующую максимальную температуру кристалла $T_{\operatorname{max}}$, а также распределения температуры $T$ и плотности тока $j$ по площади VPSS. Двумерный анализ простейшей электротепловой модели VPSS, встроенного в двойную коаксиальную формирующую линию, показал, что увеличение частоты коммутации $f$ приводит к вытеснению тока на периферию прибора, где температура минимальна. Однако при частоте $f<f_{\operatorname{max}}$ и $T<T_{\operatorname{max}}$ распределения $T$ и $j$ по площади прибора остаются устойчивыми. Разумеется, величины $f_{\operatorname{max}}$ и $T_{\operatorname{max}}$ зависят от энергии управляющих импульсов излучения, импульсной коммутируемой мощности и условий теплоотвода. Для VPSS на основе непрямозонных полупроводников (Si,SiC) они изменяются в пределах 20–120 кГц и 120–160$^\circ$C, вполне достаточных для практического применения. Однако VPSS на основе прямозонных полупроводников (GaAs, InP) фактически не пригодны для работы в высокочастотных режимах из-за слишком резкой зависимости $\kappa(T)$.