TIRISTORE

Il Tiristore è anche chiamato SCR (Silicon Controlled Rectifier).

fig.1
fig.1

Come si nota in fig.1 l' SCR è costituito da quattro strati drogati diversamente:

  • il primo strato è drogato p;
  • il secondo strato è drogato n- ;
  • il terzo strato è drogato p;
  • il quarto strato è drogato n+.

al primo strato è collegato l' Anodo, al quarto strato è collegato il Catodo; al terzo strato è collegato un terminale chiamato Gate.

Se applico una tensione positiva fra Anodo e Catodo , Vak>0  la giunzione J1 risulta polarizzata direttamente  , la giunzione J2 risulta polarizzata inveramente e la J3  risulta polarizzata direttamente ; la giunzione  J2  , essendo polarizzata inversamente, blocca la corrente.

 

fig.2
fig.2

Supponiamo ora di applicare una tensione negativa fra Anodo e Catodo, Vak<0; succede che la giunzione J1 risulta polarizzata inversamente  , la giunzione  J2  risulta polarizzata direttamente e la  J3 risulta polarizzata inversamente ; le giunzioni  Je  J3, essendo polarizzate inversamente, bloccano la corrente.

In realtà poiché la regione di deriva drogata n- è molto ampia e poco drogata sarà J1 a bloccare la corrente ed a supportare l'intera tensione inversa.

fig.3
fig.3

Insomma sembrerebbe che la corrente non passi mai qualunque sia la tensione Vak. 

Come si fa allora a mandare in conduzione il marchingegno?

Assume un ruolo importante il Gate.

Prendiamo in considerazione il  il circuito equivalente di fig.3.

Si può notare la presenza di due BJT collegati in retroazione, ed è proprio questo effetto a permettere l'innesco. Dato che la corrente di base del BJT  NPN è regolata dal terminale di Gate esso può innescare il dispositivo in quanto un aumento della corrente di base comporta un aumento della corrente di collettore e quindi un aumento della corrente di base del PNP che comporterà un ulteriore aumento di corrente in base al NPN.

Dunque si instaura un meccanismo di retroazione positiva tale da portare in breve tempo il tiristore dallo stato di alta impedenza a quello di bassa impedenza e quindi conduzione. 

In realtà c'è un altro modo per accendere il dispositivo ed è quello di aumentare Vak.

Ma allora cosa succede, come funziona questo benedetto tiristore; come posso accenderlo e come posso spegnerlo? per capirlo prendiamo in considerazione il modello di EBERS - MOLL  di fig..4

fig.4
fig.4

Vediamo che in zona attiva ed in interdizione si ha VBC<=0 e quindi  ICD =-ICS; sotto queste condizioni risulta :

iC =iCO -  α  iE

fig.5
fig.5

sostituendo nella prima equazione di fig.5  i valori di iC1 e di  iC2

ricavati dall'ultima equazione di fig.4, otteniamo l'espressione di  iA .

Osservando l'espressione di iA ci rendiamo conto che quando iG=0  quando il denominatore è piccolo e >0 risulta icirca  pari a zero   (iA =0) e quindi Il dispositivo è in interdizione.

Quando invece il denominatore è pari a zero (α npn + α pnp = 1)

la corrente aumenta tantissimo e porta poi in conduzione il dispositivo.

ricapitolando si ha: 

  • α npn + α pnp =1   → saturazione di entrambi i BJT  e quindi conduzione;
  • α npn + α pnp <1   e iG=0    → interdizione.

Quindi per portare in conduzione il dispositivo devo agire su α npn  e su α pnp  ....... ma come si fa ?

 

ACCENSIONE DEL DISPOSITIVO

fig.6
fig.6

Per cercare di capire come fare consideriamo il tiristore intrinseco di fig.6.

Osservando l'andamento del potenziale ci rendiamo conto che se aumento VAK la base efficace del PNP diminuisce ; ciò comporta un aumento di α pnp ; se poi applico una corrente nel Gate ho un aumento della corrente nel NPN  quindi un aumento di hfe e quindi di α npn  .

Ricapitolando :

  • aumentando VAK aumento α pnp 
  • applicando una IG  aumenta α npn

E' dunque possibile fare in modo  che sia    α npn + α pnp = 1 

 Vediamo ora il drogaggio come riportato in fig.6; possiamo osservare che dall'anodo, in conduzione,  attraverso la zona p+ fortemente drogata vengono iniettate moltissime lacune che giungono fino alla giunzione J3  poi entrano nella zona n+ e ricombinano; dal catodo vengono invece iniettati moltissimi elettroni che giungono fino alla giunzione J1 poi entrano nella zona p e ricombinano (vedi fug.6 ).

Fra le giunzioni J1  e J3 c'e dunque  una zona ricolma di lacune ed elettroni provenienti dal l'anodo e dal catodo in concentrazione molto maggiore del drogaggio presente inizialmente (queste lacune ed elettroni costituiscono il plasma come indicato in fig.7).

Questo plasma determina una riduzione della resistività della regione (Modulazione della conduttività); la tensione fra anodo e catodo in conduzione è : Von = VJ + Ron IA

VJ  = 0,7V è la tensione di una giunzione (le altre due si elidono a vicenda);   Ron è la resistenza della zona fra le giunzioni estreme.

 Von raggiunge valori molto bassi.

SPEGNIMENTO DEL DISPOSITIVO

fig.7
fig.7

Togliendo la corrente di Gate non è possibile, almeno nei normali Tiristori,  spegnere il dispositivo.

Nella fig.7 si nota la regione occupata dal plasma; togliendo la corrente al Gate non succede assolutamente nulla la corrente continua a fluire dal anodo al catodo; ma se applico una corrente negativa al Gate, si riesce ad interrompere la IA

fig.7
fig.7

La risposta è negativa perché  per quanto grande sia la corrente di Gate (in valore assoluto) la resistenza fra Gate   e zona del plasma è molto alta e non riesce a drenare la corrente che attraverso il plasma va da anodo a catodo.  Neanche riducendo la distanza fra gate e plasma, utilizzando per esempio un catodo interdigitato (fig.7),   le cose migliorano più di tanto.

Per spegnere il tiristore occorre allora fare in modo che sia :

VAK  = 0 . 

fig.7a
fig.7a

In realta è stato realizzato un tiristore che può essere spento annullando la IG; questo dispositivo è il GTO riportato in fig.7a.

ha le seguenti caratteristiche:

 

  • le celle del Gate sono molto piccole e numerosissime; affinché il Gate sia molto vicino al plasma;
  • è stata realizzata l'sola di catodo come in fig.7a;
  • è stato realizzato il corto di anodo come in fig.7a;

Il corto di anodo serve per accelerare la fuoriuscita degli elettroni.

una struttura siffatta però preclude la possibilità di avere alte tensioni di blocco per VAK< 0

 

CARATTERISTICA

fig.8
fig.8

La corrente , Funzione di VAK , segue la linea rossa partendo dallo 0. 

Quando VAK = VBO (tensione Break Over) si ha instabilità,   (α npn + α pnp =1 ) la tensione cala improvvisamente ed il dispositivo entra in conduzione; in fig.8 è riportato l'andamento della corrente IA che sale con una pendenza 1/Ron.

Se riduco la tensione VAK  la corrente segue la linea azzurra fino ad arrivare al valore negativo di VRWM (Reverse Working Maximum),

Questo accade quando IG =0 ; se IG  è >0 allora la corrente segue la strada rossa , verde , rossa.

 

TRANSITORIO DI ACCENSIONE

fig.9
fig.9

Nella Zona Off IG, I e VAK sono nulle ; quando applico la IG per una certo tempo td (delay time) sia I che VAK  rimangono nulle poi I cresce con una determinata pendenza fino a raggiungere in un tempo di risalita  tr(time rise) il valore finale; contemporaneamente la VAK scende ed in un tempo tr+tps raggiunge lo zero.

Nel tempo tps  si ha la formazione del plasma.

La pendenza di risalita di I (la derivata di t rispetto al tempo  dI/dt) va limitata per evitare la deriva termica.

Per limitare la crescita della I si pone in serie al dispositivo  una induttanza (SUBBER).

A regime la IG può essere eliminata; di solito si lascia riducendone  il  valore.

in fig.9 è indicato l'andamento del transitorio di accensione.

TRANSITORIO DI SPEGNIMENTO

fig.10
fig.10

in fig.10 è indicato l'andamento del transitorio di accensione.

 

Alla fine della giostra possiamo dire che il Tiristore SCR : 

 

  • lavora, diversamente del BJT, come un un interruttore, o è acceso o è spento;
  • può lavorare in continua o in alternata;
  • in entrambi i casi si accende a seguito di un impulso di corrente entrante da Gate, o quando la tensione AVK raggiunge il valore di Break Over.
  • in alternata , quando elimino la corrente di Gate, si spegne appena  la corrente va a zero;
  • in continua se elimino la corrente di Gate non si spegne e per spegnerlo devo togliere l'alimentazione.