оптически чувствительном тиристоре тиристор сам становится фотодетектором и отбирает необходимую энергию непосредственно из силовой цепи, давая значительную экономию в комплектности схемы и, следовательно, повышая надежность.

Существуют два основных подхода в использовании тиристоров, включаемых светом, представленных на рис. 4.21: ими являются (а) использование вспомогательного тиристора, включаемого светом, или (б) непосредственное включение светом главного мощного тиристора. В варианте с вспомогательным тиристором светочувствительный прибор будет нагружаться малым током, причем супсественно только среднее значение тока, необходимое, чтобы переключить главный тиристор в проводящее состояние, следовательно, вспомогательный прибор может иметь небольшие размеры. Резистор устанавливается между светочувствительным прибором и мощным тиристором с целью ограничить ток до такого значения, которое вспомогательный прибор может выдержать в процессе включения. Дополнительным преимуществом этого устройства является то, что вспомогательный прибор сохраняет свою работоспособность при температуре перехода, значительно более низкой, чем основной прибор.

Вспвмогательный тиристор обладает также повышенной стойкостью к эффекту dv/dt. Основным недостатком прибора с вспомогательным тиристором является дополнительная стоимость и комплектное использование двух компонентов по сравнению с вариантом, в котором основной мощный тиристор сам является светочувствительным, как на рис. 4.21,6.

В процессе оптического включения электронно-дырочные пары генерируются в тиристоре путем возбуждения светом. Это вызывает фототок, который включает тиристор. Очевидно, что правильный выбор длины волны светового потока является критическим. Если длина волны слишком веллка, то фотоны не способны генерировать электронно-дырочные пары. Если длина волны недостаточна, то световой поток не проникает в глубину кремниевой структуры [Gerlach, 1977]. Оптимальная длина волны, генерируемая светодиодами и лазерами на основе GaAs, колеблется в пределах от 850 до 950 нм.

Для светового управления тиристорами применяются различные типы источников: светодиоды, лазеры и импульсные лампы. Светодиоды довольно дешевы и надежны в эксплуатации. Однако они обладают низким уровнем мощности, что затрудняет их сопряжение с оптическим волоконным кабелем. Лазеры обеспечивают высокий уровень мощности и легко сопрягаются с оптическими волоконными кабелями, но значительно труднее в обращении. Кроме того, они дорого стоят и не надежны в работе при высоком уровне мощности. Поэтому чаще всего для управления тиристорами используются специально разработанные мощные светодиоды [Tado е.а., 1980], [Yahata, Beppu, Ohashi, 1983]-

Анод

Свет

свет

Катод

Анод О

Катод

ТП I I

Рис. 4.22. Структуры фототиристора: а - л-эмиттер в области фотоокиа; б - п-эмиттер вне области фотоокна

Рис. 4.21. Вспомогательный фототиристор (с) и фототиристор с непосредственным

включением (б): / - источник света; 2 - световод

В схемах с большим количеством тиристоров, которые необходимо включать одновременно,- оборудование для ВЛ ПТ - применяются цезиевые дуговые лампы, которые обладают высокой мощностью при длительном сроке службы [Addis, Damsky and Nakata, 1985].

4.5.1. Простые светочувствительные управляющие электроды

ill Некоторые конструкции светочувствительного управляющего электрода фототиристора показаны на рис. 4.22.

В структуре на рис. 4.22, а свет для генерации электронно-Дырочных пар проникает в тиристор через п-эмиттер, а на рис. 4.22, б п-эмиттер на фотоприемнике отсутствует. Если длина световой волны колеблется в пределах от 930 до 950 им, то среднее проникновение светового потока в кремний составляет прибли-,?ительно 60 им [Silard, Dascalescu, 1982]. Поскольку световой .поток будет наиболее эффективен около блокирующего в прямом направлении перехода, очень важно, чтобы расстояние между .поверхностью фотоокна и J2 было не более 60 мкм. Падающий свет генерирует фототек /р/ который приводит в результате к .дырочному току [Gerlach, 1977]

7 ir!i

(4.10)

Этот ток дырок течет из области, где он генерируется по Направлению к эмиттерному шунту при г = Гх и создает на эмиттерном переходе J3 падение напряжения

4л 2л \/-,/

(4.11)

для структуры, представленной на рис. 4.22, а, и

£ = 1п() (4.12)

для структуры, показанной на рис. 4.22, б.

Используя выражение, приведенное в [Gerlach, 1977], для минимальной плотности световой мощности при включении

примем минимальный уровень световой мощности, необходимый, чтобы переключить структуру с простым управляющим электродом,

=,.рЛ1+21п(л../п)] -

для структуры на рис. 4.22, а и

Р.Т].1П(Л,/Г£)

для структуры на рис. 4.22, б.

Здесь Ve - критический потенциал п-эмиттера, обеспечивающий устойчивое инжектирование носителей (обычно 1/£=0,6 В); h - постоянная Планка; v = CX - частота света; С - скорость света, см/с; X - длина волны, см: q - заряд электрона, Кл; Ps поперечное сопротивление р-базы, Ом/см; -Це - коэффициент квантовой эффективности. Он равен отнощению числа абсорбированных фотонов, которые генерируют электронно-дырочные пары, к общему числу падающих на поверхность полупроводника фотонов.

Квантовая эффективность сильно зависит от структуры прибора, а ее максимальное значение не превыщает 0,7 [Silard, Dascalescu, 1982].

На всех управляющих электродах тиристоров высокая чувствительность может быть получена только за счет снижения стойкости dv/dt. Для структуры на рис. 4.22, а

для структуры на рис. 4.22, б

dt C,ps{rl-rl)-

На первый взгляд может показаться, что структура на рис. 4.22,6 имеет более высокое значение dv/dt [Konishi, Mori, Naito, 1980], однако квантовая эффективность структуры на рис. 4.22, а более чем на 70% превышает квантовую эффектив-