σελ 144-152
5.1 Ημιαγωγοί Ρ-Ν-Ρ-Ν
5.1.1 Δομή και γενικά χαρακτηριστικά
O ημιαγωγος Ρ-Ν-Ρ-Ν η δίοδος Ρ-Ν-Ρ-Ν, είναι ένας κρύσταλλος με τέσσερις εμπλουτισμένες περιοχές, δύο τύπου Ν και δύο τύπου Ρ, οι οποίες εναλλάσσονται διαδοχικά (σχ.5.1.1). Το πάχος και ιδιαίτερα το επίπεδο εμπλουτισμού διαφέρει σε κάθε περιοχή και συγκεκριμένα είναι πολύ υψηλό στις ακραίες περιοχές και πολύ χαμηλό στον ενδιάμεσο ημιαγωγό τύπου Ν. Η δίοδος Ρ-Ν-Ρ-Ν ονομάζεται και δίοδος Shockley.
ο Κάθοδος
Ανοδος ο
(α)
Δ,
ο Κάθοδος
Ανοδος ο
Σχήμα 5.1.1 (α) Δομή διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν και (β) κυκλωματικό διάγραμμα
Το ηλεκτρόδιο το οποίο συνδέεται στον ακραίο ημιαγωγό τύπου Ρ ονομάζεται άνοδος (Α). Αντίστοιχα το ηλεκτρόδιο το οποίο συνδέεται στον ακραίο Ν-τύπου ημιαγωγό ονομάζεται κάθοδος (Κ) (σχ.5.1.1β).
Βασικό χαρακτηριστικό τόσο αυτής της δομής όσο και όλων των άλλων δομών οι οποίες βασίζονται σε αυτή είναι το φαινόμενο της εσωτερικής ανατροφοδότησης, ανάδρασης, (internal feedback) την οποία παρουσιάζουν. Η ανατροφοδότηση αυτή οφείλεται αποκλειστικά στη δομή τους, δηλαδή την αλληλουχία των περιοχών καθώς και των διαστάσεων και επιπέδων εμπλουτισμού των περιοχών αυτών. Η εσωτερική ανατροφοδότηση αναγκάζει αυτές τις διατάξεις να λειτουργούν μόνο σε δύο σταθερές καταστάσεις, μία αγώγιμη (ON) και μία μη αγώγιμη (OFF). Στην κατάσταση ΟΝ η αντίσταση της διόδου είναι μικρότερη των 10 Ω ενώ στην κατάσταση OFF η αντίσταση της διόδου κυμαίνεται από 1 ΜΩ έως
100 ΜΩ. Ένα επιπλέον χαρακτηριστικό αυτών των διατάξεων είναι ότι και στις δυο σταθερές καταστάσεις τους η κατανάλωση ισχύος είναι πολύ μικρή, γεγονός το οποίο τις κάνει ιδιαίτερα χρήσιμες σε εφαρμογές ελέγχου της ισχύος.
Όταν, λοιπόν, μια δίοδος Ρ-Ν-Ρ-Ν συνδεθεί σε μία πηγή έτσι ώστε η άνοδος της να συνδεθεί στο θετικό πόλο πηγής και η κάθοδος της στον αρνητικό πόλο της πηγής, παρουσιάζει τις δυο σταθερές καταστάσεις αγωγιμότητας. Η πόλωση αυτή καλείται ορθή. Σε ανάστροφη πόλωση η δίοδος συμπεριφέρεται όπως μια τυπική δίοδος με πολυ χαμηλό ρευμα κόρου και σε υψηλές τάσεις εμφανίζεται η τάση διάσπασης (VBR) (σχ.5.1.2).
Περιοχή
ορθής πόλωσης
Περιοχή
ανάστροφης
πόλωσης
Σχήμα 5.1.2 Χαρακτηριστική καμπύλη ρευματος-τάσης διόδου P-N-P-N
Επειδή η δίοδος αποτελείται από τέσσερα στρώματα μοιάζει σαν να αποτελείται από τρεις διόδους D1, D2 και D3 (σχ.5.1.1) συνδεδεμένες σε σειρά. Οι D1 και D3 έχουν την ίδια διευθυνση και η D2 είναι αντίστροφα συνδεδεμένη. Όταν η δίοδος συνδεθεί μέσω αντίστασης στα άκρα μιας πηγής και εφαρμοστεί ορθή πόλωση οι δίοδοι D1 και D3 πολώνονται ορθά ενώ η D2 πολώνεται ανάστροφα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η εξωτερικά εφαρμοζόμενη τάση να εμφανίζεται, σχεδόν όλη, στα άκρα της D2 και το ρευμα, το οποίο διαρρέει τη διάταξη είναι μικρό. Αυξηση της τά-
σης της πηγής εχει ως αποτελεσμα μικρή αυςηση του ρευματος της διάταξης. Όταν η τάση της πηγής υπερβεί μια τιμή, η οποία ονομάζεται ορθή τάση διάσπασης (firing ή breakover voltage) και συμβολίζεται με VBO, το ρευμα αυξάνει απότομα και η τάση στα άκρα της διόδου ελαττώνεται σχεδόν ακαριαία (Σχ.5.1.2). Σε αυτή την τάση σκανδαλισμου η δίοδος μεταβαίνει από την κατάσταση OFF στην ON. Το ρευμα το οποίο αντιστοιχεί στην τάση σκανδαλισμου είναι το IBO. Η περιοχή στην οποία η δίοδος βρίσκεται σε κατάσταση ON ονομάζεται περιοχή κόρου και λέμε ότι τότε η διάταξη έχει μανδαλωθεί (latched).
Αν στη συνέχεια ελαττωθεί η τάση στα άκρα της διόδου, η διάταξη παραμένει στην κατάσταση ON έως ότου το ρευμα ελαττωθεί στην τιμή IH, που ονομάζεται ρευμα συγκράτησης (holding ή latching current). Το ρευμα IH είναι το ελάχιστο ρευμα για να διατηρηθεί η κατάσταση ON. Στο ρευμα συγκράτησης αντιστοιχεί η τάση συγκράτησης VH.
(α)
(β)
NPN
Σχήμα 5.1.3 (α) Ισοδύναμη δομή μιας διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν και (β) ισοδύναμο κύκλωμα
Η λειτουργία της διόδου P-N-P-N είναι δυνατό να εξηγηθεί με την αναγωγή της σε ένα κυκλωμα όπως αυτό του σχήματος (5.1.3,). Το κυκλωμα αυτό προκυπτει από το διαχωρισμό της διόδου P-N-P-N σε δυο τμήματα έτσι ώστε στο ένα να έχουμε μια διαδοχή στρωμάτων P-N-P και στο άλλο N-P-N (σχ.5.1.3α). Κάθε τμήμα αντιστοιχεί σε ένα τρανζίστορ, το P-N-P στο Q1 και το N-P-N στο Q2. Η περιοχή τυπου N που είναι η βάση του Q1 είναι ο συλλέκτης του Q2 και η περιοχή τυπου P που είναι η βάση του Q2
είναι ο συλλέκτης του Q1. Έτσι το ρεύμα συλλέκτη του ενός «τρανζίστορ» είναι ρεύμα βάσης για το άλλο (σχ.5.1.3β) δημιουργώντας ένα βρόχο ο οποίος ξεκινά από τη βάση του Qv περνά από το συλλέκτη του Qv τη βάση του Q2 και το συλλέκτη του Q2 και καταλήγει πάλι στη βάση του Q1.
Με βάση τα παραπάνω, η χαρακτηριστική ρευματος-τάσης ερμηνεύεται ως εξής. Όταν η τάση στα άκρα της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν είναι μηδέν, τα τρανζίστορ δεν διαρρέονται από ρευμα και βρίσκονται σε κατάσταση OFF. Αυξάνοντας την τάση στα άκρα της διόδου, η δίοδος συλλέκτη - βάσης κάθε τρανζίστορ πολώνεται ανάστροφα. Έτσι, το ρευμα, το οποίο διαρρέει κάθε δίοδο συλλέκτη είναι το ρευμα κόρου (ανάστροφης πόλωσης) το οποίο είναι πολυ μικρό και δεν μπορεί να διεγείρει το συστημα.
Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η δίοδος να παραμένει στη κατάσταση OFF. Η δομή της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν είναι τέτοια ώστε τα χαρακτηριστικά των τρανζίστορ να μεταβάλλονται με την τάση συλλέκτη-εκπομπου. Έτσι όταν η τάση στα άκρα της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν υπερβεί την τάση σκαν- δαλισμου τότε τα χαρακτηριστικά των τρανζίστορ και το ρευμα κόρου κάθε διόδου συλλέκτη - βάσης είναι τέτοια ώστε να επιτρέψει στον ανατροφοδότησης να οδηγήσει τη δίοδο Ρ-Ν-Ρ-Ν σε κατάσταση ΟΝ.
Η επιστροφή από την κατάσταση ΟΝ στην κατάσταση OFF είναι δυνατή μόνο όταν τα ρευματα, τα οποία τα διαρρέουν τα τρανζίστορ, είναι μικρά και οι χαρακτηριστικές των τρανζίστορ έχουν λάβει τις θέσεις, τις οποίες έχουν σε χαμηλές τάσεις. Αυτό συμβαίνει όταν η τάση στα άκρα της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν και το ρευμα της έχουν γίνει μικρότερα της τάσης συγκράτησης και του ρευματος συγκράτησης, αντίστοιχα.
Παράδειγμα 5.1.1
Στο διπλανό σχήμα η τάση της πηγής μεταβάλλεται από 0 έως 20 V. Σε ποιά τάση θα αρχίσει να διέρχεται ρευμα από το κυκλωμα; Όταν η τάση της πηγής είναι 15 V ποίο θα είναι το ρευμα το οποίο θα διέρχεται από το κυκλωμα; Ποία θα είναι η ελάχιστη τάση της πηγής πριν να μηδενιστεί το ρεύμα του κυκλώματος; N· θεωρήσετε αμελητέα την πτώση τάσης
στα άκρα της διόδου όταν βρίσκεται σε κατάσταση ON.
Λύση
Η δίοδος P-N-P-N έχει τα εξής χαρακτηριστικά: τάση σκανδαλισμου VBO=10 V και ρευμα συγκράτησης IH=4 mA.
Επειδή από μια δίοδο P-N-P-N στην κατάσταση OFF δεν διέρχεται
ρευμα, η πτώση τάση στην αντίσταση 1 ΚΩ θα είναι μηδέν μέχρι να
ξεκινήσει η μανδάλωση. Συνεπώς για 0V < V < 10 V το ρευμα του κυκλώματος είναι μηδέν. Για V > 10 V το ρευμα του κυκλώματος θα είναι μη μηδενικό. Αρα θα αρχίσει να διέρχεται ρευμα από το κυκλωμα
όταν η τάση της πηγής υπερβεί τα 10 V.
Στην κατάσταση ON η δίοδος P-N-P-N παρουσιάζει πολυ μικρή
αντίσταση. Συνεπώς το ρευμα του κυκλώματος θα καθορίζεται από
την αντίσταση 1 ΚΩ. Αρα, όταν V=15 V το ρευμα του κυκλώματος θα
προσδιορίζεται από τον νόμο του Ωμ
V 15 V
R 1ΚΩ
= 15mA
Η δίοδος P-N-P-N μεταβαίνει στην κατάσταση OFF όταν το ρευμα,
το οποίο την διαρρέει γίνει μικρότερο του ρευματος συγκράτησης IH.
Επειδή η δίοδος είναι ακόμη στην κατάσταση ON το ρευμα του κυκλώματος θα καθορίζεται από την αντίσταση 1 ΚΩ. Έτσι η απαιτουμενη τάση της πηγής θα προσδιοριστεί από τον νόμο του Ωμ:
V = I · R = (4 mA) χ (1 ΚΩ) = 4 V
5.2 Ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου (SCR) 5.2.1 Δομή και γενικά χαρακτηριστικά
O ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου ή θυρίστορ (Silicon Controlled Rectifier ή thyristor, SCR) είναι και αυτός μια διάταξη τεσσάρων στρωμάτων. Έχει την ίδια βασική δομή με τη δίοδο P-N-P-N, μόνο που έχει προστεθεί ένα τρίτο ηλεκτρόδιο η πυλη (gate), το οποίο έχει συνδεθεί με το
Ici Q2 Qi
ενδιάμεσο στρώμα ημιαγωγου τυπου Ρ (σχ.5,2.1α) με αποτέλεσμα ο
ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου να έχει τρία ηλεκτρόδια, την άνοδο (Α),
την κάθοδο (Κ) και την πυλη (G) (σχ.5.2.1γ).
(a)
Σχήμα 5.2.1 (α) Ισοδύναμη δομή, (β) ισοδύναμο κυκλωμα και
(γ) κυκλωματικό διάγραμμα ενός ελεγχόμενου ανορθωτή πυριτίου (SCR)
Ονομάζεται ελεγχόμενος ανορθωτής διότι στην ανάστροφη πόλωση συμπεριφέρεται όπως μια κοινή δίοδος ενώ στην ορθή πόλωση είναι δυνατός ο καθορισμός και έλεγχος της τάσης σκανδαλισμου μέσω του ρεύματος της πυλης. Η εξάρτηση της τάσης σκανδαλισμου από το ρευμα πυλης φαίνεται στο σχήμα (5.2.2). Βασικό χαρακτηριστικό της διάταξης είναι ότι όταν το ρευμα της πυλης είναι μηδέν τότε το SCR συμπεριφέρεται ως δίοδος Ρ-Ν-Ρ-Ν. Όταν διαβιβαστεί ένα θετικό ρευμα μέσα από την πυλη τότε η τάση σκανδαλισμου ελαττώνεται και η ελάττωση είναι τόσο μεγαλυτερη όσο μεγαλυτερο είναι το ρευμα. Για μεγάλες τιμές του ρευματος πυλης (IG3 στο σχ 5.2.2) η τάση σκανδαλισμου είναι τόσο μικρή ώστε το SCR να παρουσιάζει μια χαρακτηριστική ρευματος-τάσης όμοια με αυτή των διόδων. Αντίθετα, για αρνητικές τιμές του ρευματος πυλης η τάση σκανδαλισμου αυξάνει. Σε ένα SCR η τάση συγκράτησης και το ρευμα συγκράτησης δεν εξαρτώνται απο το ρευμα πυλης.
Σχήμα 5.2.2 Χαρακτηριστικές ρευματος-τάσης ενός ελεγχόμενου ανορθωτή πυριτίου για διάφορες τιμές του ρεύματος πυλης
5.2.2 Αρχή λειτουργίας
Η ερμηνεία της λειτουργίας του SCR βασίζεται στη συμπεριφορά της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν. Όπως προαναφέρθηκε, το SCR είναι μια διάταξη τεσσάρων στρωμάτων, όπως η δίοδος διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν, στην οποία έχει προστεθεί μία επαφή στο ενδιάμεσο Ρ-τυπου στρώμα. Το ισοδύναμο κύκλωμα παρουσιάζεται στο σχ. (5.2.1α) και (5.2.1,). Έτσι, όταν το ρευμα της πυλης είναι μηδέν τότε η λειτουργία του SCR είναι ίδια με αυτή της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν, δηλαδή , βασίζεται στα ρευματα κόρου (ανάστροφης πόλωσης) και τη μεταβολή των χαρακτηριστικών των τρανζίστορ του ισοδυναμου κυκλώματος. Επειδή μεταξυ πυλης και καθόδου σχηματίζεται μια απλή δίοδος, αρκεί να εφαρμοστεί μια τάση 0,7 V για να αρχίσει να άγει το τρανζίστορ Q2 και κατά συνέπεια και το Q1, δηλαδή το SCR.
Η παρουσία της πυλης παρέχει τη δυνατότητα διοχέτευσης ρευματος στο τρανζίστορ Q2 του ισοδυνάμου κυκλώματος. Έτσι, αν διοχετευθεί ρευμα Ic όταν το SCR ,ρίσκεται σε κατάσταση OFF τότε είναι δυνατή η έναρξη της διαδικασίας μανδάλωσης. Στην κατάσταση OFF το ρευμα Ic προστίθεται στο ρευμα του συλλέκτη του τρανζίστορ Q1, το οποίο είναι το ρευμα κόρου της διόδου του συλλέκτη. Το άθροισμα των δυο ρευμάτων δίδουν το ρευμα ,άσης του Q2. Συνεπώς το μέτρο του Ic θα καθορίσει την τάση στην οποία τα χαρακτηριστικά των τρανζίστορ είναι τέτοια ώστε να ξεκινήσει η διαδικασία μανδάλωσης.
Είναι προφανές ότι η τιμή της νέας τάσης σκανδαλισμου θα είναι μικρότερη από εκείνη, η οποία αντιστοιχεί σε μηδενικό ρευμα πυλης. Όταν το ρευμα της πυλης είναι πολυ μεγάλο το Q1 άγει «συνεχώς» με αποτέλεσμα η τάση σκανδαλισμου να είναι πάρα πολυ μικρή και το SCR να βρίσκεται σε κατάσταση ON για πολυ μικρές τάσεις. Εάν το SCR έχει μεταβεί σε κατάσταση ON, παραμένει σ' αυτήν ακόμα και αν μηδενιστεί το ρευμα της πυλης.
Σχήμα 5.2.3 Τυπικό κυκλωμα πόλωσης ενός SCR
Όταν το ρευμα πυλης είναι αρνητικό, το συνολικό ρευμα βάσης του Q2 θα μειωθεί με αποτέλεσμα να απαιτηθεί μεγαλυτερη τάση στα άκρα του SCR για να ικανοποιηθουν οι συνθήκες οι οποίες θα οδηγήσουν τη διάταξη σε κατάσταση μανδάλωσης. Η εφαρμογή αρνητικου ρευματος στην πυλη αποτελεί μέθοδο εξαναγκασμένης μετάβασης ενός SCR από την κατάσταση ON σε κατάσταση OFF.
Για να διοχετευθεί ένα ρευμα στην πυλη ενός SCR απαιτείται η χρησιμοποίηση πηγής τάσης και αντίστασης περιορισμου του ρευματος πυλης, αφου μεταξυ πυλης και καθόδου υπάρχει δίοδος, η οποία πολώνεται ορθά. Ένα τυπικό κυκλωμα πόλωσης SCR παρουσιάζεται στο σχ.5.2.3. O! αντιστάσεις RG και RC περιορίζουν το ρευμα πυλης και SCR. Έτσι η τάση εισόδου για να επιτευχθεί η μανδάλωση του SCR υπολογίζεται από την σχέση:
Vi = VT+ IT · Rg 5.2.1
όπου VT είναι η τάση σκανδαλισμου (trigger voltage) και Ιτ είναι το ρευμα σκανδαλισμου (trigger current) του ScR. Τα στοιχεία αυτά παρέχονται στα τεχνικά φυλλάδια των κατασκευαστών. Στο κυκλωμα του σχ.5.2.3 το ScR θα μεταβεί στην κατάσταση OFF μόνο όταν η τάση της πηγής ελαττωθεί τόσο ώστε το ρευμα, το οποίο διαρρέει το ScR γίνει μικρότερο του ΙΗ < μηδενιστεί η τάση της πηγής.
Σχήμα 5.2.4 Φωτο-SCR (α) χωρίς και (β) με ρυθμιζόμενο επίπεδο σκανδάλης
