4. ΘΥΡΙΣΤΟΡΣ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το όνομα Θυρίστορ χρησιμοποιείται σε μια γενικότερη οικογένεια ημιαγωγικών διατάξεων, οι οποίες παρουσιάζουν δισταθείς χαρακτηριστικές και μπορούν να αλλάζουν από μια κατάσταση OFF (υψηλή αντίσταση, χαμηλό ρεύμα) σε μια κατάσταση ON (χαμηλή αντίσταση, υψηλό ρεύμα). Οι λειτουργίες του Θυρίστορ σχετίζονται άμεσα με αυτές του διπολικού τρανζίστορ, στις οποίες και τα ηλεκτρόνια και οι οπές εμπλέκονται στη διαδικασία μεταφοράς. Εξαιτίας των δύο σταθερών καταστάσεων ΟΝ και OF και των χαμηλών απωλειών ισχύος σ’αυτές τις καταστάσεις, τα θυρίστορς έχουν βρει μία ευρεία εφαρμογή που κυμαίνεται από ρύθμιση ταχύτητας σε οικιακές συσκευές μέχρι διακόπτες και μετατροπείς ισχύος (από μερικά mA έως 5.000 Α και τιμές τάσης έως και 10.000 V).

4.2 ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 4.2 ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Η βασική δομή ενός θυρίστορ φαίνεται στο παρακάτω σχήμα : α) θυρίστορ με άνοδο, κάθοδο και δύο ηλεκτρόδια πύλης, β) δίοδος p-n-p-n δύο ακροδεκτών ( δίοδος Shockley) και γ) θυρίστορ τριών ακροδεκτών ή SCR (semiconductor controlled rectifier)

ΠΩΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΖΕΤΑΙ ΕΝΑ THYRISTOR Ένα wafer n-τύπου επιλέγεται ως το αρχικό υλικό. Mε διάχυση σχηματίζουμε ταυτόχρονα το p1 και p2 στρώμα. με κραματοποίηση ή διάχυση σχηματίζεται τέλος το στρώμα τύπου n σε μια από τις πλευρές του υποστρώματος( n2).

ΒΑΣΙΚΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ-ΤΑΣΗΣ ΕΝΟΣ ΘΥΡΙΣΤΟΡ VBF:Forward Breakover Voltage Is: Switching or turn-on current Ih: Holding current Vh: Holding voltage VBR:Breakdown voltage dV/dI → 0 dV/dI → 0 Στην περιοχή 0-1 η συσκευή είναι στην OFF κατάσταση, με πολύ υψηλή αντίσταση (Forward blocking region). Μετάβαση (Forward BreakoverVoltage) συμβαίνει όταν dV/dI → 0 Στην περιοχή 1-2 η συσκευή είναι στην περιοχή αρνητικής αντίστασης. Στην περιοχή 2-3 η συσκευή είναι στην κατάσταση ΟΝ. Στην περιοχή 0-4 η συσκευή είναι στην κατάσταση OFF(reverse blocking region). Στην περιοχή 4-5 η συσκευή είναι στην περιοχή ανάστροφης κατάρρευσης (reverse breakdown region).

4.2.1 ΠΕΡΙΟΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ “REVERSE BLOCKING” Τάση κατάρρευσης VBR Δύο είναι οι βασικοί παράγοντες που περιορίζουν την ανάστροφη τάση κατάρρευσης και την προς τα πρόσω τάση breakover (VBF) : το φαινόμενο χιονοστιβάδας και το φαινόμενο επικάλυψης (punch-through) περιοχών φορτίων χώρου. Στην κατάσταση reverse blocking, ανάλογα με το πάχος του στρώματος n1 η κατάρρευση θα προκληθεί από πολλαπλασιασμό φορέων εξαιτίας του φαινομένου της χιονοστιβάδας, αν το πλάτος της περιοχής φορτίων χώρου κατά την κατάρρευση είναι μικρότερο από το Wn1, ή από το φαινόμενο επικάλυψης αν όλο το πλάτος Wn1 καλυφθεί από την περιοχή φορτίων χώρου της επαφής J1, έτσι ώστε η δίοδος J1 να είναι βραχυκυκλωμένη με τη δίοδο J2. Reverse blocking state

Για μια απότομη δίοδο p+-n, με υψηλά ντοπαρισμένη περιοχή p1, η τάση κατάρρευσης χιονοστιβάδας σε θερμοκρασία δωματίου δίνεται από τον τύπο : VB=5,34x1013(Nn1)-0.75 όπου Nn1 είναι η συγκέντρωση ντοπαρίσματος της περιοχής n1 Η τάση επικάλυψης σε μία απότομη δίοδο p+-n, δίνεται από τον τύπο : Το παρακάτω σχήμα δείχνει το θεμελιώδες όριο της δυνατότητας αποκοπής (reverse blocking) για τα θυρίστορς. Για παράδειγμα, για Wn1=160 nm το VBRmax περιορίζεται σε τιμές κάτω των 2.000 V, οι οποίες εμφανίζονται σε συγκεντρώσεις Nn1=8.5x1013 cm-3.Για μικρές συγκεντρώσεις η τάση κατάρρευσης περιορίζεται από το φαινόμενο της επικάλυψης ενώ σε υψηλές συγκεντρώσεις από το φαινόμενο της χιονοστιβάδας.

Η πραγματική τάση “reverse blocking” είναι μικρότερη από τα προηγούμενα όρια, επειδή η δίοδος J1 είναι συνδεδεμένη με τη γειτονική δίοδο J2 ως ένα τρανζίστορ p-n-p ανοιχτής-βάσης κοινού-εκπομπού και ο μηχανισμός τρανζίστορ θα μειώσει την τιμή της τάσης κατάρευσης Η συνθήκη ανάστροφης κατάρρευσης αντιστοιχεί με αυτή της σύνδεσης κοινού εκπομπού, στην οποία Μ=1/α1, ενώ η τάση κατάρρευσης δίνεται από τον τύπο : VBR=VB(1-α1)1/n όπου Μ είναι ο παράγοντας πολλαπλασιασμού χιονοστιβάδας, α1 το κέρδος ρεύματος κοινής βάσης, VB η τάση κατάρρευσης χιονοστιβάδας της επαφής p1-n1 και n μια σταθερά ( 6 για διόδους p+-n και 4 για διόδους n+-p). Επειδή (1-α1) 1/n<1 η τάση VBR ενός θυρίστορ θα είναι πάντα μικρότερη της VB.

4.2.2 ΠΕΡΙΟΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ “ FORWARD BLOCKING” Πόλωση : + στην άνοδο σε σχέση πάντα με την κάθοδο, μόνο η επαφή J2 είναι ανάστροφα πολωμένη Για την κατανόηση της χαρακτηριστικής στην περιοχή Forward Blocking θα χρησιμοποιήσουμε τη μέθοδο των δύο transistor. H κεντρική δίοδος συμπεριφέρεται ως συλλέκτης οπών από τη J1 και ηλεκτρονίων από τη J3. Το ρεύμα βάσης του transistor p-n-p είναι : IB1=(1-α1)IA - ICO1 To ρεύμα συλλέκτη του transistor p-n-p είναι : IC2=α2ΙΚ + ΙCO2 Τα δύο ρεύματα είναι ίσα, οπότε καταλήγουμε στην εξίσωση : Η εξίσωση περιγράφει τη dc χαρακτηριστική στην περιοχή FW blocking έως και την τάση VBR. Μετά το όριο αυτό η διάταξη συμπεριφέρεται ως Δίοδος p-i-n

Τα πλάτη των περιοχών φορτίων χώρου και τα αντίστοιχα ενεργειακά διαγράμματα για τη θερμική ισορροπία (a), τη forward OFF κατάσταση (b) και τη forward ΟΝ κατάσταση (c) φαίνονται στο παρακάτω σχήμα

FORWARD BREAKOVER VOLTAGE Θεωρούμε ότι η κεντρική δίοδος της συσκευής παραμένει ανάστροφα πολωμένη. Θεωρούμε ακόμα ότι η πτώση τάσης V2 στα άκρα της διόδου είναι αρκετή για να προκαλέσει με το φαινόμενο της χιονοστιβάδας πολλαπλασιασμό φορέων καθώς αυτοί ταξιδεύουν διαμέσου της περιοχής φορτίων χώρου. Σημειώνουμε ότι ο παράγοντας πολλαπλασιασμού είναι για τα ηλεκτρόνια Μn, και για τις οπές Μp (και οι δύο παράγοντες είναι συναρτήσεις της τάσηςV2). Η τάση forward breakover είναι : VBF = VB(1-α1-α2)1/n Συγκρίνοντας την με την ανάστροφη τάση κατάρρευσης VBR βλέπουμε ότι είναι μικρότερη, ενώ για μικρό (α1+α2) γίνονται ουσιαστικά ίσες.

4.2.3 FORWARD CONDUCTION Η πτώση τάσης Vm στην περιοχή i δίνεται από τον τύπο : Vm ~ (τeff)-1 Επειδή η Vm είναι αντιστρόφως ανάλογη του ενεργού χρόνου ζωής, θα πρέπει να χρησιμοποιούμε μεγαλύτερο χρόνο για να μειώνουμε τη Vm.

4.3.2 TURN-ON and TURN-OFF TIMES Για να περάσει ένα thyristor από την OFF στην ON κατάσταση απαιτείται το ρεύμα να αυξηθεί έως ένα σημείο έτσι ώστε να ικανοποιείται η συνθήκη : α1+α2=1. Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι για να σκανδαλίσουμε τα thyristor από την OFF στην ON κατάσταση. Ο σκανδαλισμός τάσης είναι η μόνη μέθοδος για να γίνει η μετάβαση σε μια δίοδο Shockley. Ο σκανδαλισμός ρεύματος είναι η πιο σημαντική μέθοδος για τη μετάβαση ενός three-terminal thyristor. O χρόνος turn-on είναι ίσος με : ton = (t1t2)1/2 όπου t1 , t2 είναι οι χρόνοι διάχυσης των περιοχών n1 , p2 αντίστοιχα και είναι ίσοι με t1≡ W2n1/2Dp t2≡ W2p1/2Dn . Για μικρό χρόνο ton θα πρέπει να είναι μικρά τα Wn1 και Wp2, Όμως έτσι έχουμε μικρές τάσεις κατάρρευσης

Όταν ένα thyristor είναι στην κατάσταση ON, και οι τρεις δίοδοι είναι πρόσω πολωμένα, με αποτέλεσμα να υπάρχει περίσσεια φορέων πλειοψηφίας και μειοψηφίας. Για να μεταβούμε πίσω στην κατάσταση blocking, αυτοί οι φορείς θα πρέπει να απαλειφθούν από ένα ηλεκτρικό πεδίο ή να εξασθενήσουν λόγω της ανασύζευξης. Η μεγαλύτερη καθυστέρηση οφείλεται στο χρόνο ανασύζευξης στην περιοχή n1. Το ολικό ρεύμα που διαρρέει τη συσκευή είναι : όπου τp είναι ο χρόνος ζωής των φορέων μειοψηφίας Ο χρόνος turn-off είναι :

Για να έχουμε μικρότερο turn-off χρόνο, πρέπει να μειώσουμε το χρόνο ζωής στο στρώμα n1. Για να μειώσουμε τον turn-off χρόνο, μια συνηθισμένη πρακτική είναι να εφαρμόσουμε ανάστροφη πόλωση μεταξύ της πύλης και της καθόδου κατά τη διάρκεια της φάσης turn-off.

4.3.3 CATHODE SHORT and dV/dt EFFECT Τα βραχυκυκλώματα στην κάθοδο χρησιμοποιούνται για να βελτιώσουν τις επιδόσεις των thyristor. Ο λόγος είναι ότι καταφέρνουν και κάνουν ίσες τις τάσεις forward blocking και reverse blocking. Κάτω από transient κατάσταση, ένα thyristor μπορεί να μεταβεί στην ON κατάσταση σε τάσεις αρκετά χαμηλότερες από την τάση breakover. H μείωση στην τάση breakover εξαρτάται από το μέγεθος της τάσης ανόδου και από το ρυθμό που αυξάνεται. Για να βελτιώσουμε το ρυθμό dV/dt μπορούμε i) να πολώσουμε ανάστροφα το κύκλωμα πύλης-καθόδου, ii) να μειώσουμε τους χρόνους ζωής στις περιοχές n1 και p2, iii) να χρησιμοποιήσουμε βραχυκυκλώματα καθόδου.

4.4 RELATED POWER THYRISTORS 4.4.1 REVERSE CONDUCTING THYRISTORS