Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник светового излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними и которые конструктивно связаны друг с другом.
Принцип действия оптронов любого вида основан на том, что в излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую; в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический ток. Электрический сигнал на излучатель подается обычно от внешнего источника. Световой сигнал на фотоприемник поступает по цепи оптической связи от излучателя.
Процессы преобразования энергии в оптроне основаны на квантовой природе света, который представляет собой электромагнитное излучение в виде потока частиц - квантов.
Светоизлучатели. Для применения в оптронах пригодны несколько разновидностей излучателей: миниатюрные лампочки накаливания, в которых используется тепловое излучение нагретой электрическим током до 1800—2000 °С нити; неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон—аргон, и др. [см. 1, § 1.1].
Указанные виды излучателей имеют невысокую светоотдачу, ограниченную долговечность, большие габариты, малую направленность излучения и сложны в управлении. Основным видом излучателя, используемым в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод — светодиод. Рассмотрим процесс преобразования энергии в таком оптроне (рис. 11,а).
На границе раздела р- и областей полупроводниковой структуры, как было показано выше, возникает p-n-переход, в котором сосредоточен объемный заряд из дырок и электронов. При приложении к структуре прямого напряжения 1/ип в активной области В кристалла некоторых видов полупроводников (например, арсенида галлия и соединений на его основе) создается избыточная концентрация свободных носителей зарядов, инжектируемых р-лпереходом, смещенным в прямом направлении. Возникающий при этом поток электронов проходит через область объемного заряда Е, создавая электронный ток /п. Часть электронов рекомбинируется в активной В и непрозрачной С областях кристалла с дырками. Каждый акт рекомбинации основных носителей заряда сопровождается излучением кванта света, т.е. имеет место излучательная рекомбинация.
Одновременно возникает дырочная составляющая тока /р, обусловленная инжекцией дырок в л-область и отражающая тот факт, что p-n-первходов с односторонней инжекцией не бывает. Доля этого тока тем меньше, чем сильнее легирована /т-область по сравнению с р-областью структуры кристалла [3].
Часть возникающего излучения поглощается в оптически "прозрачной" области А кристалла (лучи 1 на рис. 11,6), кроме того, имеет место: внутреннее отражение (лучи 2) при падении лучей света на границу раздела сред полупроводник — воздух, имеющих разную оптическую плотность, что приводит в конечном счете к их потере из-за самопоглощения.
Рис. 11. Электрическая (а) и оптическая (6) модели светодиода
Генерация квантов в активной области полупроводника является спонтанной и характеризуется тем, что лучи света направлены равновероятно во все стороны. Лучи 3, распространяющиеся в сторону сильно легированной области полупроводника, быстро поглощаются. Активная область В обладает волновод ным эффектом, и лучи 4 вследствие многократных отражений фокусируются вдоль этой области, поэтому интенсивность торцевого излучения значительно выше, чем в других направлениях выхода света из кристалла.
Основными материалами, из которых изготовляются излучатели, являются арсенид галлия и соединения на его основе, а материалом для фотоприемников служит кремний. Оба вида материалов имеют практически одинаковую оптическую плотность (показатель преломления). Это обстоятельство обеспечивает полное оптическое согласование генераторного и приемного блоков оптрона.
Фотоприемники. Принцип действия используемых в оптронах фотоприемников основан на внутреннем фотоэффекте, заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри кристаллического тела под действием электромагнитного (оптического) излучения. Образование свободных электронов приводит к изменению электрических свойств облучаемого тела, а возникающие при этом фотоэлектрические явления используются на практике. Экспериментально установлено, что наиболее значительные фотоэлектрические явления имеют место в полупроводниках, в основном в беспримесных. Таким образом, в фотоприемнике происходит преобразование квантов света в энергию подвижных электрических зарядов, под действием которых на р-п-переходе возникает фото-ЭДС.
При разработке оптопар фотоприемник является определяющим элементом оптрона, а излучатель выбирается "под фотоприемник". Уровень оптронной техники в наибольшей степени характеризуется диодными оптронами, промышленные типы которых отличаются простотой устройства, большим разнообразием, широтой функциональных возможностей, хорошим сочетанием электрических параметров.
Конструкция силовых полупроводниковых приборов. Основой конструкции всякого полупроводникового прибора является полупроводниковая структура, определяющая его электрические параметры и характеристики. Структуру с элементами, обеспечивающими необходимую механическую прочность, надежный электрический и тепловой контакты с корпусом прибора, называют вентильным элементом конструкции. Вентильный элемент должен иметь надежную защиту от влияния окружающей среды, поэтому он помещается в корпус, обеспечивающий герметизацию и механическую прочность всей конструкции.
По виду конструкции корпуса все силовые полупроводниковые вентили можно разделить на штыревые, с плоским основанием (фланцевые) и таблеточные.
На рис. 12,я показана конструкция штыревого тиристора, основание которого 2 изготовляется из меди совместно с нарезным болтом 1 для обеспечения электрического и теплового контакта с охладителем. Тиристоры с плоским основанием корпуса (рис. 12,в) имеют медный фланец 1 для крепления прибора болтами к охладителю. Крышки корпусов в обоих типах тиристоров выполняются в металлостеклянном или металлокерамическом исполнении. Верхний силовой вывод 3 может быть выполнен в виде металлического (медного) плетеного жгута (гибкий вывод) или медного полого стержня, заполненного свинцом (жесткий вывод, рис. 12,6).
Рис. 12. Конструкции мощных тиристоров:
а — штыревой тиристор с гибким и б — без гибкого вывода; в — фланцевый тиристор с гибким выводом
Тиристоры таблеточной конструкции (рис. 13,э) выполняются в виде таблетки 1 в гофрированном керамическом корпусе, обеспечивающем защиту вентильного элемента от загрязнений и механических повреждений. Таблетка помещается между верхним 2 и нижним 6 металлическими основаниями прибора, которые соприкасаются с охладителями, создавая электрический и тепловой контакты. Управляющий электрод 4 тиристора выведен на боковую поверхность корпуса. Подключение прибора к электрической цепи производится посредством токоведущих пластин 3 и 5.
Штыревая и фланцевая конструкции применяются для силовых вентилей на ток до 320 А, таблеточная — на ток 250А и более. Приборы с плоским основанием корпуса более стойки к воздействию циклической смены температуры. В разработках тиристоров последних лет такая конструкция применяется более часто.
На рис. 13,6 в качестве примера показана конструкция нового силового кремниевого транзистора серии ТК. Такие приборы имеют массивный корпус штыревой конструкции с нарезным болтом на основании для соединения с радиатором и жесткие выводы базы и эмиттера.
Общая характеристика полупроводниковых приборов. Отечественная промышленность выпускает в широком ассортименте силовые полупроводниковые приборы, применение которых дозволяет создавать экономичные, малогабаритные и обладающие высокой надежностью различные преобразователи электрической энергии. Для удобства выбора полупроводниковых приборов в процессе проектирования установок и замены вышедших из строя вентилей во время их эксплуатации применяется буквенно-цифровая система условных обозначений на силовые диоды, тиристоры, транзисторы и оптроны (ГОСТ 15543- 70*).
Рис. 13. Таблеточная конструкция тиристора Т500 без охладителя (а) и габаритно-установочные размеры силового транзистора (б)
Для управления фототиристором в его корпусе предусмотрено специальное окно для пропускания светового потока. В оптронных тиристорах в качестве излучателя используется полупроводниковый светоизлучающий диод — светодиод, на который подается управляющий сигнал. Существенным преимуществом фото- и оптронных тиристоров перед тиристорами, управляемыми электрическим сигналом, является отсутствие гальванической связи между силовой цепью прибора и системой их управления.
