刘祥晟，张 明，高向东

（无锡中微晶园电子有限公司，江苏无锡 214035）

1 引言

固体继电器(Solid State Relay，缩写为SSR)是将继电器与半导体技术、光电子技术结合的产物，是一种由集成电路和电子元器件构成，通过半导体器件实现电路导通和关断的新型无触点开关器件，其中将光电耦合技术与功率MOS管在SSR中的直接集成就组合成为光MOS固体继电器。光MOS固体继电器可以实现通用SSR以前无法获得的新开关性能，从其面世以来，由于其具有响应速度快、使用寿命长、功耗低、不受外界电磁影响、高可靠性等优点，已经在各领域得到了广泛的应用，尤其是在航天、航空、通信、计算机等对继电器的可靠性、寿命、体积、重量有特殊要求的领域，光MOS固体继电器应用更为广泛。在光电继电器不同场合的应用中要求光电继电器具备相应的特性，特别是在高速响应特性方面，而该性能的提升在很大程度上取决于光继电器内部光耦合芯片的设计选择。本文通过对光MOS固体继电器中的关键部件——光耦合芯片光电池组结构进行设计仿真，确定了光电池组的材料和工艺参数，并合理选择相应的MOS功率管进行匹配，照此研制出的光电继电器产品可以满足市场需求。

2 光MOS继电器结构和工作原理

光MOS固体继电器(以下简称为Photo MOS)，又称为光继电器。它是将发光二极管 (Light Emitting Diode，缩写为LED)作为输入信号源、光电二极管阵列(Photo Diode Array，缩写为PDA)作为光耦合器件、功率场效应管 (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，缩写为MOSFET)作为输出器件而集成为一体，从而具有高速开关功能的微型化固体继电器。其典型产品示意图参见图1。当LED侧有输入电流时，LED发光照射在PDA芯片上，PDA芯片形成的光电流对MOSFET栅极充电，当充电电压信号大于MOSFET器件的开启电压VGS(MOSFET器件的Gate to Source)时，两个MOSFET器件导通，可以实现开关功能。

Photo MOS继电器封装采用混合电路工艺，将LED芯片、PDA芯片、MOSFET芯片封为一体，常规封装方式见图 1（a）、（b），输入端一般为红外 LED 芯片，输出端为两反向串联的MOSFET器件，两MOSFET器件的源极(Source极，以下简称S极)相互连接，输出端为两端子时，S极不引出，两输出端分别为两MOSFET器件的漏极(Drain，以下简称D极)；输出端多于两端子时，中间的输出端子一般为MOSFET器件的S极，其他两端子分别为两MOSFET器件的D极，这样6脚的封装可以实现多种方式的输出连线，提高输出电流。

图1 Photo MOS等效电路示意图

PDA芯片元件作为光电继电器的光接收器件，一般由十几个光电二极管串联组合而成，当特定强度和波长的光照射到光电池单个光电二极管表面时，光电池内部由于光照产生电流Io，其电流方向和PN结内建电场方向相同，即N型区指向P型区，光电二极管阵列结构常规可由SOI(Silicon on Insulation)衬底材料片制造形成，如图2所示，相邻二极管之间通过SiO2隔离形成一个个P-body硅岛，金属逐级串联连线后传输到功率MOS栅极电容充电，并可根据具体电路中所需光电压的大小，灵活调节光电二极管的数目；因此如何设计转换效率高的光电二极管是研发的重点。而光电池特性通常通过开路电压Voc和短路电流Isc进行评估。开路电压Voc是光电池的电动势，是光电池的一个重要参数，Voc并不是随着光照强度无限地增大，当光生电压Voc增大到pn结势垒消失时，即得到最大光生电压Vmax。而短路电流Isc与光照强度相关，在强度一定的条件下是由量子效率决定，量子效率由衬底材料浓度和吸收厚度决定。光生电压与短路电流共同决定了该光电池的输出特性，如图3中Pmax的值越高，表明光电池的输出特性越趋于矩形，光电转换效率越高。

图2 光电二极管阵列示意图

图3 输出特性示意图

3 仿真过程

在研究光电池性能时，我们给定注入表面浓度3×1015，通过改变P-body硅岛的厚度和浓度来仿真光电池的短路电流和光电压的变化。

3.1 硅岛厚度变化对光电池性能的影响

首先研究硅岛厚度变化对光电池性能的影响，仿真条件如下：

（1）光照量1W/cm2，入射波长从300nm到1000nm变化，硅岛厚度选取30/50/100 μm；

（2）光照量1 W/cm2，指定入射波长940 nm；硅岛厚度由10 μm到100 μm不等。

图4 硅岛厚度与光谱响应曲线

图5 硅岛厚度对光电池性能的影响（940 nm入射波长）

仿真结果如图4、图5所示，随着硅岛厚度的增加，光谱响应峰值向长波移动，长波光照下光电流、光电压随硅岛厚度增加而增加，硅岛50 μm厚度以后变化幅度减缓，硅岛越厚越有利于光电流收集，但考虑到硅岛厚度越厚工艺加工成本越高，因此可根据产品性能指标进行选取。

3.2 硅岛浓度变化对光电池性能的影响

研究硅岛浓度变化对光电池性能的影响，固定硅岛厚度50 μm，仿真条件如下：

（1）采用光照量 1 W/cm2，硅岛浓度从 1×1013～8×1016cm2，对开路电压、短路电流进行仿真；

（2）采用光照量 1 W/cm2，硅岛浓度从 5×1013～1×1016cm2，对输出曲线进行仿真。

仿真结果如图6～8及表1所示，随着硅岛浓度的增加，短路电流逐渐降低，光生电压逐渐上升，最大输出功率也逐渐增加，硅岛浓度低时光电流虽然大但光电压较小、功率不足，硅岛浓度高到1×1016以后光电流下降明显，功率增加不高，且考虑到会影响器件击穿及其他参数，因此需要兼顾选择合适的硅岛浓度。

图6 开路电压随浓度变化情况

图7 短路电流随浓度变化情况

图8 光电池输出曲线

表1 光电池输出值

4 实验结果与讨论

基于上述仿真结果开发光电PDA接收芯片，并配套合适的VDMOS功率管和LED芯片，制备出的光电继电器器件测试结果见图9与表2。与国外同类型继电器对比，其开关性能可满足市场需求。

图9 器件转移特性曲线

表2 器件测试结果

5 结论

文章通过对光电继电器理论的研究，对光电二极管阵列进行了设计开发，研制出的光电继电器基本达到市场应用需求，为今后的科研生产提供了参考方向；但与国际上其他更高性能的光电继电器相比，其响应速度和频率还有较大差距，后续仍需进一步对电路设计和封装能力进行优化研究。