Fototristor

Ein Photothyristor ist ein vier-Schichten-Halbleiterbauelement aus Silizium, das bei Belichtung mit ausreichend hoher Intensität leitend wird, anstatt ein Gatesignal wie ein herkömmlicher Thyristor zu benötigen. Es verbindet die Schaltgeschwindigkeit und Strombelastbarkeit eines Thyristors mit Lichempfindlichkeit und eignet sich für isolierte Gate-Treiberschaltungen und lichtgesteuerte Leistungsregelungen, bei denen eine elektrische Isolation zwischen Steuerung und Last erforderlich ist.

Das Bauelement besteht aus einer Photodioden-Region, die direkt in die Thyristor-Struktur integriert ist. Wenn Photonen auf die Sperrschicht treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare; diese Ladungsträger fließen in die Gate-Region des Thyristors und lösen die regenerative Rückkopplung aus, die das Bauelement in den leitenden Zustand verriegelt. Die Lichtintensität, die zum Auslösen erforderlich ist, liegt typischerweise zwischen einigen Mikrowatt und Zehner-Mikrowatt pro Quadratzentimeter, je nach Dotierungsprofil und Geometrie des Siliziums. Nach der Auslösung bleibt der Photothyristor leitend, auch wenn das Licht entfernt wird, bis der Vorwärtsstrom während der negativen Halbwelle einer Wechselspannung oder durch externe Schaltungsgestaltung unter die Haltestromschwelle fällt.

Photothyristoren gibt es in zwei Hauptausführungen: den Light-Triggered Thyristor (LTT) und den optisch isolierten Triac-Gate-Treiber, der einen Photothyristor in einem Optokoppler-Gehäuse enthält. Letzterer dominiert in der Industrie, weil er galvanische Isolation bietet; ein Steuersignal, das durch Licht über eine Faser oder eine integrierte LED übertragen wird, erzeugt keine elektrische Verbindung zwischen Ein- und Ausgang der Leistungsschaltstrecke. Diese Isolation verhindert Erdungsschleifen und kapazitive Störeinkopplung in hochgestörten Umgebungen wie Antriebsregelungen und Industrie-Stromversorgungen.

Praktische Einschränkungen und Ausfallmechanismen

Photothyristoren sind langsamer als elektrisch gesteuerte Thyristoren, weil Zeit erforderlich ist, bis sich photon-erzeugte Ladungsträger in der Gate-Region ansammeln; Schaltzverzögerungen liegen typischerweise im Bereich von 5 bis 50 Mikrosekunden. Sie sind auch temperaturempfindlich; der Dunkelstrom nimmt mit der Wärme zu und macht Bauelemente bei erhöhten Sperrschichttemperaturen anfälliger für unbeabsichtigtes Auslösen. Die spektrale Empfindlichkeit hat ihr Maximum im Nahinfrarot-Bereich um 900 Nanometer, daher muss die verwendete Lichtquelle (üblicherweise eine Galliumarsenid-LED) auf die Wellenlängenempfindlichkeit des Bauelements abgestimmt sein. Thermisches Durchgehen ist ein Risiko, wenn die Sperrspannung die zulässigen Grenzen übersteigt und der Dunkelstrom unkontrolliert wächst.

In Energie- und Industriestromnetzen werden Photothyristoren hauptsächlich in statischen Umschaltern, Gleichrichter-Gate-Treiberschaltungen und Halbleiter-Relais eingesetzt, wo Isolation zwingend erforderlich ist. Ihre Verwendung ist in Hochvolumen-Anwendungen rückläufig, da Optokoppler mit konventionellen MOSFET- oder BJT-Ausgängen kostengünstiger sind und niedrigere Schaltzverzögerungen aufweisen, aber sie bleiben wertvoll für Schaltungen, die das innewohnende Verriegelungsverhalten der Thyristor-Logik und robuste Isolation in rauen elektromagnetischen Umgebungen erfordern.