红外发光二极管对固体继电器漏电流的影响

李建华，闫军政，宋伟，洪浩

（贵州振华群英电器有限公司，贵阳 550018）

0 引言

固体继电器是一种全部由半导体器件、无源元器件等固体电子器件组成的无可动件的静态继电器，它利用功率半导体器件的开关特性，实现电路的接通和断开。固体继电器包括输入电路和输出电路，输入电路和输出电路之间采用光隔离或者变压器隔离，其中输出电路使用的半导体功率器件主要是场效应管、碳化硅场效应管、可控硅、IGBT 等半导体器件。固体继电器相比电磁继电器可经受较大的冲击和振动，适应较宽的温度范围，且过流能力大，在市场上已经被广泛使用。

传统的固体继电器大量使用变压器进行输入和输出之间的隔离，但是随着固体继电器的普及以及在军工设备中的应用，使用变压器隔离的弊端也显现出来，在对电磁干扰比较敏感的设备中，变压器隔离的固体继电器难以胜任，因此固体继电器有变压器隔离向着光电隔离转变的趋势。固体继电器中的光电隔离器件主要是光电池或者光隔离的放大电路，其中发光器件主要是红外发光二极管，但是由于体积的限制、温度范围及多余物的控制要求，红外发光二极管、场效应管等半导体器件基本上都使用裸芯片。

固体继电器的输出漏电流是一项关键指标，但是由于设计不合理造成这项指标超标的现象比较普遍。很多对漏电流失效的固体继电器的失效分析未发现根本原因。本文主要阐述了固体继电器中使用的红外发光二极管对固体继电器输出漏电流影响的原理、测试及控制方法。

1 红外发光二极管

红外光的波长一般在0.78～1 000 μm，而近红外的波长一般在0.78～2.526 μm。通常使用的红外发光二级管波长有850 nm、870 nm、880 nm、940 nm、980 nm，而功率P 与红外发射管波长的关系为P850nm＞P870nm＞P880nm＞P940nm＞P980nm，因此固体继电器中使用的红外发光二极管的波长一般为850 nm，以增加光电转换效率。图1 为典型红外发光二极管（波长为850 nm）相对光强与波长的关系图，由图中可知，红外发光二极管的光强分布主要集中在40 nm 左右的波长区间。

图1 典型红外发光二极管相对光强与波长的关系

2 半导体材料的禁带宽度

禁带宽度是半导体材料能带结构中的禁止带隙宽度，是半导体的重要特征参量，其大小主要取决于半导体的能带结构。半导体价带中的大量电子都是价键上的电子，不能够导电，即不是载流子，只有当价电子跃迁到导带而产生出自由电子和自由空穴后才能够导电。因此，禁带宽度是反映价电子被束缚强弱的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量。常见半导体锗、硅、砷化镓、碳化硅、氮化镓的禁带宽度分别是0.66 eV、1.12 eV、1.42 eV、3.20 eV、3.44 eV。

在半导体中，光线的能量可以激发价带中的电子跃迁到导带中，从而形成电子空穴对，这个过程称作光电效应，所以当光线的能量大于半导体的禁带宽度时，光线会被吸收，从而产生光电效应。光的波长λ 与禁带宽度能量Eg的关系为

其中，h 为普朗克常数，h=6.626×10-34J·s；c 为光速，c=2.998×108m/s；Eg的单位为eV，1 eV=1.6×10-19J。

由式（1）可以计算出，碳化硅场效应管产生光电效应的波长是388 nm，即波长低于388 nm 的光才能在碳化硅场效应管芯片上产生光电效应；传统硅场效应管产生光电效应的波长是1 108 nm，即波长低于1 108 nm的光才能在传统硅场效应管芯片上产生光电效应。

3 红外发光二极管对碳化硅场效应管的影响

碳化硅场效应管是最近几年国内发展比较快的半导体器件，是一种具有优异性能的半导体器件，其具有高电子迁移率、高击穿电场强度、高导热率和耐高温性能等特点，使得碳化硅场效应管在固体继电器中很受欢迎。

将碳化硅场效应管芯片和红外发光二极管芯片装配在密闭环境中进行漏电流测试，图2 为碳化硅场效应管芯片密闭环境测试原理图，其中，V1 为碳化硅场效应管芯片，D1 为发光二极管芯片，VCC1、VCC2为直流电源，IM1、IM2 为电流表。图3 为碳化硅场效应管芯片密闭环境装配示意图。首先将金属导体材料2、6、8、11 粘接在密闭非导体壳体底部和顶部，将碳化硅场效应管芯片粘接在金属导体2 上，并将碳化硅场效应管芯片的栅极、源极使用金丝3 短接，将芯片源极使用金丝12 和金属导体11 短接，将漏极和源极分别引出到外部和电源VCC2 及电流表IM2 连接在一起；将红外发光二极管D1 粘接在导体6 上并正对碳化硅场效应管芯片V1，将红外发光二极管的阳极键合到导体8 上面，并将红外发光二极管的阳极和阴极分别通过9、5 连接到电源VCC1 和电流表IM1 上。

图2 碳化硅场效应管芯片密闭环境测试原理

图3 碳化硅场效应管芯片密闭环境装配示意图

设置直流电源VCC1 的电压，使电流表IM1 分别显示0 mA、10 mA 和20 mA，再设置直流电源VCC2的电压，测试碳化硅场效应管芯片V1 的漏极和源极之间的漏电流，密封环境下碳化硅场效应管芯片漏电流测试数据如表1 所示。

表1 密封环境下碳化硅场效应管芯片漏电流测试数据

由表1 可知，在对碳化硅场效应管进行漏电流测试时，对红外发光二极管施加的0 mA 和10 mA、20 mA 的电流分别使红外发光二极管不发光和发2 种强度的红外光，当红外光照射到碳化硅场效应管时，碳化硅场效应管在不同漏源电压下的漏电流均无明显变化，验证了当红外发光二极管的发光波长850 nm 大于碳化硅场效应管产生光电效应的波长388 nm 时，不足以使碳化硅场效应管发生电子跃迁，所以不能产生电子空穴对，即无光电效应产生，所以碳化硅场效应管漏源漏电流无明显变化。

4 红外发光二极管对硅场效应管的影响

传统硅场效应管是比较稳定的半导体器件，具有导通电阻低、面积小、成本低的优点，因而是固体继电器使用的主流器件。

按照图3 的装配方式，将其中的碳化硅场效应管芯片V1 更换为传统硅场效应管芯片，其他不变，并进行测试，密封环境下传统硅场效应管芯片漏电流测试数据如表2 所示。

表2 密封环境下传统硅场效应管芯片漏电流测试数据

由表2 可知，在对传统硅场效应管进行漏电流测试时，当对红外发光二极管施加0 mA 电流时传统硅场效应管的漏电流非常小，当对红外发光二极管施加10 mA 电流时，传统硅场效应管的漏电流明显增加，再对红外发光二极施加20 mA 电流时，传统硅场效应管的漏电流几乎翻倍，严重超出固体继电器对输出漏电流的要求。传统硅场效应管的禁带宽度较低，产生光电效应的光波长需要小于1 108 nm，而红外发光二极管的波长850 nm 小于传统硅场效应管芯片产生光电效应的波长，因此红外发光二极管发射的红外光使传统硅场效应管发生了电子跃迁，发生光电效应，造成漏电流增加。

5 红外发光二极管对固体继电器输出漏电流的影响

5.1 常闭型光隔离固体继电器

图4 是常闭型固体继电器原理图，D1 是红外发光二极管裸芯片，E1 是光伏裸芯片，V1 是耗尽型场效应管裸芯片。当对红外发光二极管施加电流时发出的红外光照射到光伏E1，使得光伏E1 产生电压，驱动耗尽型场效应管V1 关断。所以未对红外发光二极管施加电流时，耗尽型场效应管V1 导通，对红外发光二极管施加一定的电流时，耗尽型场效应管V1 断开。图5 是常闭型固体继电器典型装配图。

图4 常闭型固体继电器原理图

图5 常闭型固体继电器典型装配图

在对固体继电器的红外发光二极管D1 施加10 mA、100 mA 电流时，此时光伏E1 产生电压，驱动场效应管V1 断开，测得的常闭型固体继电器漏电流测试数据如表3 所示。由表中数据可知，固体继电器的内部反光使得红外发光二极管发出的红外光对场效应管产生了光电效应，造成场效应管V1 的漏电流增加，在固体继电器金属管壳内壁涂吸光材料后输出场效应管芯片V1 的漏电流大幅度降低。

表3 常闭型固体继电器漏电流测试数据

5.2 多路常开型光隔离固体继电器

图6 为多路常开型固体继电器原理图（单路），每路可以单独控制，在使用时有的路处于接通状态，有的路处于关断状态。图7 是典型4 路常开固体继电器装配示意图。每路的红外发光二极管裸芯片与场效应管裸芯片在同一面，每路之间有一点隔离，但没有全封闭隔离。

图6 多路常开型固体继电器原理图（单路）

图7 典型4 路常开固体继电器装配示意图

4 路固体继电器每一路的电路原理及装配方式相同，分4 种情况测试路与路之间红外光对场效应管漏电流的影响：一是对第1 路的发光二极管施加10 mA电流，其他路的发光二极管不施加电流，测试第2 路场效应管的漏电流；二是对第1 路和第3 路的发光二极管施加10 mA 电流，其他路的发光二极管不施加电流，测试第2 路场效应管的漏电流；三是对第1 路、第3 路和第4 路的发光二极管施加10 mA 电流，第2 路的发光二极管不施加电流，测试第2 路场效应管的漏电流；四是重新设计固体继电器外壳，将产品内部路与路之间进行物理隔离，对第1 路、第3 路和第4 路的发光二极管施加10 mA 电流，第2 路的发光二极管不施加电流，测试第2 路场效应管的漏电流。4 路常开型固体继电器漏电流测试数据如表4 所示。

表4 4 路常开型固体继电器漏电流测试数据

由表4 可知，4 路常开型固体继电器由于内部路与路之间没有完全物理隔离，在对不同路的发光二极管施加10 mA 电流后，由于红外光在壳体内部的反射，对其他路的场效应管漏电流产生了明显影响，并且具有叠加效果。重新设计外壳，将内部路与路之间物理隔离，阻断红外光在路与路之间反射后的测试结果显示场效应管的漏电流大幅度降低，恢复到场效应管正常的漏电流水平。

6 结论

对使用红外发光二极管进行光隔离的固体继电器进行分析、测试与计算，可知在使用红外发光二极管时由于红外光照射到以场效应管为主的半导体器件上产生光电效应，使得场效应管的漏源之间漏电流增加，而场效应管是固体继电器输出端的主要器件，因此使固体继电器的输出漏电流超标。

针对基于红外发光二极管进行光隔离的固体继电器，控制其输出漏电流的方法如下：一是使用宽禁带宽度的场效应管裸芯片或具有宽禁带宽度的其他半导体裸芯片，这样不会产生光电效应，也就不会增加固体继电器输出漏电流；二是对常闭型固体继电器的红外发光二极管裸芯片进行封闭设计，使得红外光不外泄，或者在反射面涂吸光材料，这样可以大幅度降低红外发光二极管的反射光，避免增大固体继电器的输出漏电流；三是对于多路常开型固体继电器，应该在设计外壳时进行路与路之间的物理隔离，或者在反射面上涂吸光材料，使得红外光不能在路与路之间进行反射传播，同样可以避免固体继电器输出漏电流的增加。