Фототиристоры

Это полупроводниковые приборы, используемые для коммутации световым сигналом электрических цепей большой мощности.

С труктура фототиристора аналогична структуре обычного тиристора, отличаясь наличием окна, через которое свет попадает на обе области базы тиристора. При этом с ростом освещенности возрастают эмиттерные токи, что приводит к возрастанию коэффициентов α и включению тиристора. Таким образом, фототок выполняет функцию тока управляющего электрода. Условное обозначение и эквивалентная схема приведены на рис.7.8. ВАХ фототиристора аналогична ВАХ обычного тиристора с тем отличием, что параметром характеристики является световой поток.

Фототиристор остается во включенном состоянии после окончания импульса светового потока. Для его выключения необходимо уменьшить напряжение или ток до значений, меньших напряжения или тока удержания.

Параметры фототиристора: пороговый световой поток или пороговая мощность излучения при заданном напряжении источника питания; минимальная длительность импульса светового потока, обеспечивающего включение при заданном световом потоке; время включения и выключения; рабочая длина волны. Кроме этого фототиристор характеризуется максимально допустимыми значениями выходного тока, рабочего напряжения и скорости нарастания выходного напряжения.

Темновое сопротивление – 10⁸ Ом (запертое состояние), сопротивление во включенном, открытом состоянии до 10^-1 Ом. Время переключения 10^-5 – 10^-6 сек.

Солнечные преобразователи.

Ф отогальванический эффект используется в полупроводниковых фотоэлементах для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. Их основное применение – для преобразования солнечной энергии. В преобразователях с p-n-переходом применяются кремний и арсенид галлия, но предпочтение отдано кремнию.

На рис.7.9 приведены ВАХ солнечных преобразователей с площадью p-n-перехода S=1см² при плотности мощности P_пд=0,2 Вт/см² и Т=20^оС. Они соответствуют четвертому квадранту ВАХ освещенного p-n-перехода. Преобразователь на основе GaAs имеет большее значение фото-ЭДС (вследствие большей ширины запрещенной зоны) но меньший ток короткого замыкания. Диффузионная длина неосновных носителей в кремнии больше, чем в арсениде галлия, поэтому выше квантовый выход _ф и ток I_кз. Предельный расчетный КПД кремниевого преобразователя 23% получен без учета потерь при _ф=1. Реальные КПД кремниевых преобразователей 14-18%, арсенид-галлиевых – 11%.

П ри подключении нагрузки ток I_н и напряжение U_н во внешней цепи определяются точкой пересечения ВАХ и линии нагрузки (рис.7.10). Площадь прямоугольника I_нU_н пропорциональна мощности, отдаваемой преобразователем в нагрузку; при оптимальном сопротивлении нагрузки достигается максимальная мощность.

На рис.7.10 показана структура кремниевого преобразователя: 1 – фронтальный металлический электрод на освещаемой поверхности; 2 – тыльный металлический электрод, полностью покрывающий поверхность кристалла с неосвещаемой стороны; 3 – просветляющее покрытие из монооксида кремния SiO. Чтобы не затенять освещаемую поверхность, ширина фронтального электрода не превышает 1мм.

В эквивалентной схеме (рис.7.11) генератор тока I_ф моделирует фототок, диод VD – диффузионный ток p-n-перехода, резистор R_у имитирует сопротивление утечки p-n-перехода, резистор r_s – потери в объеме p- и n-областей и контактах металл-полупроводник. Омические потери в резисторах R_у и r_s уменьшают выходную мощность и КПД преобразователя и предпринимаются специальные меры для уменьшения их влияния.

Отдельные элементы соединяются в солнечные батареи. Кремниевые преобразователи позволяют получать мощность до 100 Вт с квадратного метра площади при удельной мощности 50 Вт/кг.