CONSIDERATII GENERALE ASUPRA TIRISTOARELOR

CONSIDERATII GENERALE ASUPRA TIRISTOARELOR

Denumirea generica de "tiristor" este atribuita unei clase diversificate de dispozitive semiconductoare de putere , avand ca trasaturi comune similaritatile structurale interne si forma caracteristicii statice curent I -- tensiune V (fig. 1)

Structura de baza a familiei de tiris-

toare (fig. 1.) este constituita din doua

straturi semiconductoare de tip p si doua

straturi de tip n, alternate intre ele

(p , n , p , n ), care delimiteaza trei jonc-

tiuni pn (J ,J ,J Terminalul extern

conectat la startul p se numeste anod

(A), iar electrodul de contact al stratului

n este terminalul de "catod" (K). Struc-

tura de baza ( p n p n ) cu doua terminale

de contact (anod A si catod K) poarta

denumirea de "dioda Shockley". Schema

echivalenta simplificata a structurii pnpn

utilizata frecvent in modele unidimensionale Fig. 1. (a) Structura de baza pnpn    de prim ordin , este formata din doua tran-

a dispozitivelor din familia tiristoarelor, zistoare bipolare complementare: p n p si

avand doua straturi semiconductoare de n p n (fig. 1-b). Stratul de anod p constitue

tip p si doua de tip n, aternate intre ele emitorul tanzistorului p n p iar stratul de

trei jonctiuni (J , J , J ) si doua terminale catod n este emitorul tranzistorului n p n

de contact (dioda Shockley) ;    Tranzistoarele pnp si npn , componente ale

(b) Echivalarea strcturii pnpn cu structurii pnpn ,se caracterizeaza prin factorii

doua tranzistoare bipolare complementare    de castig in curent αpnp, respectiv αnpn, ale

(pnp, respective npn).    caror valori sunt dictate in principal de

parametrii bazelor n si p

Majoritatea dispozitivelor apartinand familiei de "tiristoare" sunt derivate ale structurii pnpn din figura 1-a. Cel mai cunoscut si raspandit dispozitiv din aceasta familie, denumit in continuare "tiristor conventional" (fig.2-a), poseda un electrod suplimentar conectat la stratul (baza) p denumit "poarta" (G = gate). Acest electrod de comanda este utilizat pentru amorsarea controlata a tiristoarelor prin intermediul semnalelor pozitive aplicate intre terminalele G si K. In cazul general (figura 2-b), atat stratul (baza) n , cat si stratul (baza) p , pot fi accesibile din exterior via electrodul de comanda aferent. Intr-un dispozitiv pnpn cu patru terminale, electrodul G se numeste "poarta de catod" , iar G - "poarta de anod".

Fig. 2. (a) Structura si simbolul unui tiristor conventional cu contact pe poarta (G) atasat bazei p

(b) Configuratia si simbolul unui tiristor cu terminale de contact atasate fiecarui strat semiconductor

Fig. 3. Caracteristica statica curent (I) - tensiune (V) a unui dispozitiv semiconductor cu structura pnpn la polarizarea sa in direct si in invers

Dispozitivele cu structura pnpn sunt realizate in prezent din siliciu (Si). Straturile p si n sunt obtinute prin doparea siliciului cu impuritati acceptoare, respectiv donare.

Caracteristica statica I-V (curent-tensiune) a structurii pnpn (cu sau fara electrozi de poarta) are forma tipica din figura 3. La polarizarea in direct a structurii pnpn (prin conventie: "+" pe anod si "-" pe catod), comportamentul dispozitivului este reflectat de caracteristica I-V din candranul I . Aceasta portiune a caracteristicii I-V are forma litrei S , tipica pentru dispozitivele care prezinta o regiune de functionare cu rezistenta diferentiala negativa (dV/d I < 0) [1] - [10]. Pe portiunea 0 - 1 a caracteristicii I -V, dispozitivul blocheaza tensiunea aplicata, prezentand o rezistenta de circuit de valoare mare. In aceasta stare, denumita de "blocare in direct" ("Forward OFF-State" sau "Forward Blocking State"),sructura pnpn este strabatuta de curentul residual ID , avand o valuare extrem de redusa. Regiunea 0-1 din figura 3 este similara caracteristicii I-V a unei diode redresoare, polarizate in invers(fig.4). Daca tensiunea pozitiva aplicata pe anod egaleaza valoarea tensiunii de strapungere in direct V_{F BO} ("Forward Break-Over Voltage"), multiplicarea in avalansa a purtatorilor din structura pnpn declansaza procesul regenerativ de tranzitie a dispozitivului din starea de blocare in direct ("OFF") in starea de conductie directa ("ON-State" sau "Forward Conduction").Ca urmare a procesului regenerativ mentionat , punctul de functionare al dispozitivului tranziteaza rapid prin regiunea 1-2 de rezistenta diferentiala negativa (dV/dI < 0), stabilindu-se apoi in zona 2-3 a caracteristicii I-V , corespunzatoare conductiei in direct ("ON").

Fig.4. Caracteristica statica curent (I) - tensiune (V) a unei diode redresoare (p⁺ n sau n⁺ p) la polarizarea acesteia in direct si in invers.

Curentul anodic prin dispozitiv in starea "ON" este limitat doar de valoarea rezistorului extern R_A . Pe portiunea 2-3 a caracteristicii I-V , dispozitivele pnpn au un comportament similar celui al unei dioade redresoare, aflate in conductie directa( figurile 3 si 4). La densitati uzuale ale curentului in direct pentru dispozitivele de putere cu structura pnpn (~ 100 A/cm²), caderea de tensiune intre anod si catod este de V_TM 1. . . 2 V(fig.5). Densitatea tipica a curentului anodic (j_T ~ 100 A/cm²) corespunde , de regula, curentului mediu in starea de conductie directa I_T(AV), adica valorii medii a curentului in starea "ON" pe o perioada completa de functionare ("Average ON-state current").

Pentru mentinerea tiristoarelor in conductie directa ("ON") este necesar sa se asigure un curent anodic prin structura pnpn de valoare superioara parametrului de catalog denumit "curentul de mentinere" I_H ("holding current"). In acest scop, dreapta de sarcina, determinata de valoarea rezistorului extern R_A, trebuie sa intersecteze ramura de conductie in direct a caracteristicii I-V deasupra punctului de coordonata I_H (fig.6). In cazul plasarii incorecte a dreptei de sarcina, dispozitivul nu poate fi mentinut in starea de conductie si revine automat in starea de blocare in direct("OFF").

Caracteristica I-V a dispozitivelor pnpn blocate in invers ("+" pe catod, "-" pe anod, fig.3) reflecta un comportament identic cu cel al diodelor redresoare , polarizate in invers (fig.4.). In starea de "blocare in invers" ("Reverse OFF-State" sau "Reverse Blocking State"), un tiristor este strabatut de la catod la anod de curenul rezidual(invers) I_R,avand o valoare redusa(fig.3.)

Fig. 5. Caracteristicile curent-tensiune in

conductie directa ale tiristorului T250N

la doua valori tipice ale temperaturii jonc-

tiunii T_v1. Densitatea curentului in direct

prin dispozitiv la valoarea nominala a

acestuia (_IT(AV) =250 A) este aproximativ 100 A/cm²

Fig. 6. Ilustrarea modalitatii de plasare corecta a dreptei de sarcina pe caracteristica I-V a unui dispozitiv cu structura pnpn in vederea asigurarii mentinerii acestuia in starea de conductie in direct.

Rezistenta de circuit R_OFF prezentata de structura pnpn (raportul dintre tensiunea inversa aplicata V_R si curentul rezidual I_R) are o valoare foarte mare (de ordinul MΩ). Atunci cand tensiunea inversa aplicata pe un dispozitiv pnpn atinge valoarea tensiunii sale maxime de blocare in invers (V_RM), curentul rezidual prin dispozitiv creste foarte rapid. Cresterea pronuntata a curentului I_R-in coditiile aplicarii tensiunilor inverse de valori mari (aproximativ V_RM) - determina disipari mari de putere, conducand in final la distrugerea tiristoarelor.

Amorsarea dispozitivelor pnpn prin aplicarea in direct a tensiunilor V_AK=V_FBO(fig.3) este caracteristica pentru dioda Shockley (fig.1-a). In cazul tiristoarelor (fig.2-a), avand un terminal de comanda (poarta G), amorsarea prin "breakover" constituie o modalitate de aprindere parazita si poate determina distrugerea dispozitivelor.

Amorsarea tiristoarelor se efectueaza prin aplicarea pe poarta a semnalelor pozitive de comanda (fata de catod). Semnalul aplicat pe poarta poate fi analogic (semnul continuu, semialternanta pozitiva a unui semnal sinusoidal), si discret sau discontinuu (impulsuri). Atacul circuitului de poarta poate fi efectuat in curent sau tensiune. Aplicarea pe poarta a semnalelor de amplitudine crescand permite amorsarea tiristoarelor la valori din ce in ce mai reduse ale tensiunii de blocare in direct V_D. Aceasta proprietate a tiristoarelor este ilustrata calitativ in figura 7, pentru cateva valori ale curentului I_GF. Familia caracteristicilor de iesire (I-V) indica proportionalitatea inversa intre valoarea curentului de comanda pe poarta (I_GF) si tensiunea de blocare in direct (V_D), la care sunt operate tiristoarele (fig.7). Valorile minime ale curentului continuu (I_GT) si tensiunii continue (V_GT), care asigura amorsarea pe poarta a tiristoarelor, se determina la tensiunea minima anod-catod (V_AK=V_D=12 V,vezi figura 8.) In aceste conditii, se obtin valorile maxime ale parametrilor I_GT si V_GT la temperatura constanta a jonctiunii T_vj. Valorile tipice ale curentului I_GT sunt de ordinul sutelor de miliamperi, iar ale tensiunii V_GT- de 0,7 V. . . 1,0 V la T_vj = 25°C.

Fig. 7. Caracteristica statica curent (I) - tensiune (V) Fig. 8. Configuratie de masura a curentului

a unui tiristor conventional polarizat in direct pentru    minim (I_GT) si tensiunii minime (V_GT) necesare

cateva valori ale curentului pozitiv I_GP aplicat pe    amorsarii unui tiristor conventional cu semnal

poarta dispozitivului in vederea amorsarii sale. continuu aplicat pe poarta.