tiristore
tiristore Dispositivo a semiconduttore che, a seguito di un impulso di corrente inviato a un elettrodo di controllo (gate), può passare da uno stato di funzionamento caratterizzato da elevatissima impedenza (stato di interdizione) a uno stato con impedenza molto piccola (stato di conduzione).
Con il termine t. si indica più in particolare un dispositivo che funziona da diodo controllato, da cui la sigla SCR (silicon controlled rectifier) con la quale tale componente è anche noto sin dalla sua prima commercializzazione a metà degli anni 1950. Mentre nei diodi lo stato di conduzione o di interdizione dipende esclusivamente dalla tensione applicata tra anodo e catodo, nei t. l’inizio della conduzione (o accensione) avviene solo quando, con il dispositivo nello stato di polarizzazione diretta (con l’anodo mantenuto cioè a un potenziale maggiore rispetto al catodo), è inviato al gate un impulso di corrente della durata di qualche microsecondo. Ciò consente di comandare il componente solo in accensione ma non nella fase di spegnimento; pertanto, il ripristino dello stato di interdizione è necessariamente affidato alle modalità di funzionamento del circuito in cui il t. è utilizzato.
La parte attiva del t. è costituita da una sottile lastrina di silicio (chip), tagliata da un monocristallo cilindrico, nella quale, attraverso successivi processi di diffusione, sono ricavati 4 strati sovrapposti, drogati alternativamente con impurità di tipo trivalente e pentavalente, in modo da formare una struttura p-n-p-n (fig. A) con 3 giunzioni p-n in serie (J1, J2, J3); per il collegamento con l’esterno il dispositivo è dotato di 3 terminali: l’anodo, a, il catodo, k, e il gate, g, quest’ultimo ricavato mediante un contatto metallico su una piccola parte della superficie dello strato p adiacente al catodo. L’estensione e la forma costruttiva della zona di gate, lo spessore dei singoli strati e la densità di drogaggio di ciascuno di essi, le dimensioni del chip e le modalità di montaggio e di incapsulamento di quest’ultimo in un contenitore ermetico, influenzano grandemente le caratteristiche di funzionamento del dispositivo, il cui simbolo grafico è indicato in fig. B.
Il funzionamento di un t. può essere descritto facendo riferimento alla caratteristica, mostrata in fig. C, che lega la corrente anodica, ia, alla tensione di polarizzazione, vak, applicata ai terminali del dispositivo. Quando si applica una tensione negativa tra anodo e catodo le due giunzioni esterne (J1 e J3) risultano polarizzate inversamente e quindi il dispositivo è nello stato di interdizione inversa, essendo attraversato da una piccola corrente inversa di dispersione il cui valore è tipicamente dell’ordine dei milliampere. Al crescere della tensione inversa la corrente di dispersione resta praticamente costante per un lungo tratto, crescendo invece sempre più rapidamente per valori maggiori della massima tensione di polarizzazione inversa del componente (VRRM) a causa del regime di scarica a valanga che, una volta instauratosi per il superamento della tensione di breakdown, entro breve tempo conduce irrimediabilmente al danneggiamento del dispositivo. Applicando una tensione positiva tra anodo e catodo, e in assenza di corrente nel circuito di gate (ig=0), la giunzione centrale J2 del dispositivo è inversamente polarizzata e quindi il t. si trova nello stato di interdizione diretta, a meno di non superare la tensione di breakdown della giunzione J2 (cioè la tensione VBO, detta anche tensione di breakover), in corrispondenza della quale si ha il passaggio dallo stato di interdizione a quello di conduzione anche in assenza della corrente di gate. Per valori crescenti della corrente di gate l’accensione del t. può essere comandata con valori di tensione di polarizzazione diretta sempre più piccoli. In una prima fase, la regione di catodo interessata alla conduzione è limitata a una piccola porzione attorno alla periferia della zona di gate e tutta la corrente anodica deve pertanto passare in questa piccola area accesa; ciò provoca un’elevata dissipazione locale di potenza che può determinare un surriscaldamento del catodo e la distruzione del dispositivo; per migliorare la capacità del t. di sopportare elevate derivate temporali di corrente all’accensione, è necessario aumentare il perimetro del catodo a contatto con la zona di gate, e a tale scopo vengono costruiti t. con gate distribuiti o interdigitati. Lo stato di conduzione, una volta stabilitosi nel dispositivo, prosegue anche in assenza della corrente di gate, essendo il valore della corrente ia determinato dalle condizioni di funzionamento del circuito esterno; nello stato di conduzione si stabilisce tra l’anodo e il catodo una caduta di tensione molto bassa (dell’ordine di alcuni volt), la quale però cresce all’aumentare della corrente anodica. Essendo generalmente molto piccole le perdite di potenza derivanti dall’accensione e dallo spegnimento del dispositivo (usualmente indicate come perdite di commutazione) e potendo ritenere praticamente nulla la perdita di potenza durante lo stato di interdizione, la dissipazione di potenza associata alla caduta di tensione tra anodo e catodo durante la conduzione (perdita di potenza in conduzione) è la principale responsabile dell’aumento di temperatura all’interno di un t. in conseguenza del suo funzionamento. La massima corrente che può attraversare il dispositivo in conduzione è funzione della massima dissipazione di potenza accettabile, e pertanto in fase di progetto si cerca di realizzare t. con una caduta di tensione minima in conduzione; tale condizione, tuttavia, è in contrasto con l’esigenza, spesso più importante per le applicazioni, di ottenere dispositivi con una tensione di breakdown più elevata possibile. Si sceglie così per la caduta di tensione in conduzione un valore di compromesso, ferma restando l’esigenza di mantenere la temperatura di funzionamento del dispositivo entro limiti prefissati. La conduzione cessa soltanto se l’intensità di corrente scende al di sotto di un certo valore (Ih, corrente di mantenimento), oppure quando la tensione anodica diventa negativa. In seguito all’inversione di tensione, per la presenza di una grande quantità di portatori minoritari, le giunzioni sono attraversate da un’intensa corrente inversa fino a che, per effetto delle ricombinazioni elettroni-lacune, non si completa lo svuotamento dei portatori di carica in eccesso.
Modificando parzialmente la struttura di base mostrata in fig. A, e rinunciando completamente alla capacità dei t. di funzionare in stato di interdizione con elevate tensioni di polarizzazione inversa, sono stati realizzati due nuovi dispositivi nei quali il gate è utilizzato sia per l’accensione sia per lo spegnimento: i t. GTO (gate turn off) e gli MCT (MOS-controlled thyristor). Nei GTO lo spegnimento è realizzato richiamando sul circuito di gate un impulso negativo di corrente (cioè una corrente avente polarità opposta a quella utilizzata per l’accensione del dispositivo), così da svuotare la giunzione centrale dai portatori minoritari in eccesso. Gli MCT, invece, sono essenzialmente t. la cui struttura di gate è costituita da due MOSFET: uno di tali MOSFET (detto ON-FET) è deputato all’accensione del dispositivo, mentre l’altro (detto OFF-FET), permette di realizzare lo spegnimento mediante un opportuno segnale di tensione applicato al circuito di gate.