雪崩倍增效应是4H-SiC雪崩光电二极管、功率半导体器件等器件的关键机理。作为其中最重要的物理参数，雪崩倍增因子(M)的精确解析表达式目前未见报道。文章提出4H-SiC p-n结M的精确计算方法及其解析表达式。基于更准确的碰撞电离模型，通过MATLAB对4H-SiC单边突变结(p+-n)电子和空穴的碰撞电离积分(I)进行精确的数值计算，给出击穿电压(BV)随掺杂浓度的经验表达式，进一步提出电离积分随外加电压及掺杂浓度的拟合表达式。此外，对外加电压接近BV的情形进行细致的相对误差分析，表明电子电离积分受电场影响显著。对于雪崩光电二极管及功率器件较宽的BV范围，所提出的拟合表达式在外加反向偏压大于0.65BV时具有较高的精确度(相对误差小于5%)。

雪崩光电二极管(APD)因为其高灵敏度和高增益带宽的优势已被广泛应用在高比特率、远程光纤通信系统中，而雪崩过程中产生的过剩噪声直接影响到 APD的信噪比，因此，研究过剩噪声对 APD性能的提升具有重要意义。目前，国内外测试雪崩光电二极管过剩噪声的方法主要有直接功率测量法和相敏探测法，本文对这两种测试方法和其优缺点进行了分析，并介绍了最新的改进测试思路。同时，还总结了降低过剩噪声的 3种方法: 选择低碰撞电离系数比的材料，降低倍增层厚度和采用 APD碰撞电离工程来降低噪声。

采用优化ESD注入条件改善了NMOS器件结构。对该亚微米ggNMOS ESD防护电路单元进行了传输线脉冲TLP法测试。测试结果表明, 优化后的多插指通道保护结构的静电释放电流均匀性得到改善。对该ESD注入型NMOS输出特性的研究发现, 在强场下漏极电流IDT是一种复合电流, 随着栅源电压超过阈值VGS0, 它会呈现IDT-VGS微分负阻现象。从MOS-Bipolar复合模式下的碰撞电离和Snapback效应两方面对IDT-VGS微分负阻现象进行了理论分析。研究结果可用于优化CMOS/BiCMOS IC的ESD设计。

提出了一种吸收区-电荷区-倍增区分离(SACM)结构的InGaAs/InP雪崩光电二极管,利用碰撞电离工程(I ²E)设计了双电荷层双倍增层结构的InP雪崩光电二极管(APD),通过在倍增区中设置电离阈值能量的分级,控制碰撞电离的位置,从而降低噪声。采用器件仿真器Silvaco对器件进行建模,仿真计算了新结构器件的能带结构、电场分布、暗电流、光响应电流和增益等。新结构器件可以获得较低的噪声系数k(k=α/β,其中α、β分别为空穴与电子的电离系数),在30 V电压下,k=0.15。与常规的SACM InP APD相比,分析结果表明,新结构APD器件具有了较好的噪声特性。

目前与互补金属氧化物半导体工艺兼容且具有高发光效率的硅基光源的制作技术尚不成熟,针对这一问题,研究了一种新型多晶硅发光器件。首先研究了该结构在反偏电压下可能存在的各种雪崩模式(带间跃迁、轫致辐射、空穴在轻和重质量带之间的带内跃迁、高场条件下的电离和间接带间重组),对不同雪崩模式下的发光机理进行了理论分析;然后研究了器件内部的空穴和电子在反偏电压下的漂移及扩散情况,指出载流子注入增加了参与雪崩倍增过程的载流子数量,进而使碰撞电离率提高;最后对器件的电场、光谱、电流与光强等数据进行分析,对量子效率和光电转换效率进行计算,验证了所研究结构通过载流子注入实现了碰撞电离率的提高,进而实现了发光效率的提高,其中量子效率为5.9×10 -5,光电转换效率为4.3×10 -6。

运用系宗蒙特卡罗法计算了强THz场作用下, n型掺杂的GaAs和InSb中随时间变化的散射机制以及载流子非线性动力学演变, 获取了电子散射至卫星谷并弛豫回原能谷的时间信息, 并追踪描绘了载流子瞬态增加的过程, 结果同时显示了强场作用下谷间散射是GaAs中的主要散射机制, 而碰撞电离则是InSb中的关键因素.此外进一步讨论了这两种机制对于相关物理量: 平均动能、平均速度、材料的电导率的影响, 结果说明这两种机制导致了非线性效应并在两种材料中起到相反的作用, InSb中碰撞电离的响应时间比GaAs中谷间散射的响应时间更长.该研究结果在THz调制领域有一定的指导意义.

重点研究了多级倍增超晶格InGaAs雪崩光电二级管(APD)的增益和过剩噪声, 建立了新的载流子增益-过剩噪声模型。在常规弛豫空间理论基础上分析了其工作原理, 考虑了预加热电场和能带阶跃带来的初始能量效应、电子进入高场倍增区时异质结边界附近的弛豫空间长度修正以及声子散射对碰撞离化系数的影响, 提出了用于指导该类APD的增益-过剩噪声计算的修正弛豫空间理论。结果表明: 在相同条件下, 相比于常规的单层倍增SAGCM结构, 多级倍增超晶格InGaAs APD同时具有更高增益和更低噪声, 且修正的弛豫空间理论可被推广到更多级倍增的超晶格InGaAs APD结构, 在保证低噪声前提下, 通过增加倍增级数可提高增益。

制备和表征了p-i-n型的GaN基雪崩探测器。器件在-5 V下的暗电流约为0.05 nA, -20 V下的暗电流小于 0.5 nA。响应增益-偏压曲线显示, 可重复的雪崩增益起始于80 V附近, 在85 V左右增益达到最大为120, 表明所制备的器件具有较好的质量。C-V测量用来确定载流子的分布和耗尽信息, 结果显示, p型层在15 V左右达到耗尽, 对应的空穴载流子浓度在1.9×1017 cm-1左右, 相对低的载流子浓度降低了电场限制, 使探测器的工作电压相对偏高。在不同偏压下测量的光谱响应曲线显示出明显的Franz-Keldysh效应。

基于Pokker-Planck方程, 建立一个描述短脉冲激光作用下电介质材料中导带电子能量分布随时间变化的模型, 用数值方法计算电子能量分布与电子数密度随时间的演化过程, 根据临界等离子体密度准则得到了不同激光脉冲宽度和波长下电介质材料(以SiO2为例)的破坏阈值。结果发现, 尽管激光波长通过3种途径对材料破坏阈值的确定产生影响, 但三者的共同作用导致在激光波长分别为1 060, 800, 532 nm时材料破坏阈值随脉宽变化曲线十分接近。讨论了碰撞电离、光致电离两种机制对材料激光破坏分别所起的作用: 当激光脉宽大于1 ps时, 碰撞电离对材料的破坏起主要作用; 当激光脉宽小于1 ps时, 光致电离对破坏阈值的影响越来越明显, 但是碰撞电离仍然不可忽略, 碰撞电离与光致电离同时起重要作用。