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IntroduccionDispositivo Basico de Cuatro Capas

Familias de TiristoresReferencias

Dispositivo Basico de Cuatro Capas y susvariaciones

J. Armando Lara R.

Ingenierıa ElectronicaInstituto Tecnologico de Lazaro Cardenas

Otono 2011

Armando Lara Fısica de Semiconductores

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1 IntroduccionDescripcion, Historia y AplicacionesCaracterısticas

2 Dispositivo Basico de Cuatro CapasBloqueo en Polarizacion InversaBloqueo en Polarizacion DirectaVoltaje de Ruptura en Polarizacion DirectaConduccion en Polarizacion Directa

3 Familias de TiristoresSCRDIACTRIAC

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Descripcion, Historia y AplicacionesCaracterısticas

Clasificacion de dispositivos electronicos

Dispositivos Electronicos

Conmutadores ⇐ Tiristores

Aplificadores

El Tiristor

El termino se aplica a dispositivos biestables.

Sus estados son apagado o desactivado (alta impedancia,bajo flujo de corriente).

Y encendido o activado (baja impedancia, alto flujo decorriente)

Como en el transistor, electrones y huecos interactuan parael proceso de transporte.

El Tiristor

Tiristor deriva de la palabra de origen latın “thyratron”, ya quesus caracterısticas electricas son similares en muchos aspectoscon el tubo de vacıo de gas thyratron.

Un poco de historia

1950 Ebers Une dos transistores (pnpn).

1956 Moll Explica detalladamente lo que Ebers hizo.

1958 Mackintosh, Aldrich y Holonyak Adhieren una tercerterminal de control.

El Tiristor

Un poco de historia

El Tiristor

Un poco de historia

El Tiristor

Un poco de historia

El Tiristor

Un poco de historia

El Tiristor

Entre sus aplicaciones estan:

Control de velocidad de aparatos.

Cambio y conversion de energıa en alta tension.

Ahora estan adapatados para operar en corrientes de entrepocos mA y mas de 5kA a mas 10kV .

El Tiristor

Estructura de Cuatro Capas

Tres terminales ⇒ SCRDos terminales ⇒ Diodo Schockley

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Caracterısticas I-V

0− 1 ⇒ Bloqueado, Desactivado en polarizacion directa(alta impedancia).

1 ⇒ Ruptura o Conmutacion(dVAKdiA

)= 0, se define VBF

(Voltaje de ruptura) y Is (Corriente de activacion).

0− 1 ⇒ Bloqueado, Desactivado en polarizacion directa(alta impedancia).

1 ⇒ Ruptura o Conmutacion(dVAKdiA

)= 0, se define VBF

(Voltaje de ruptura) y Is (Corriente de activacion).

1− 2 ⇒ Resistencia Negativa.

2− 3 ⇒ Conduccion, Activado en polarizacion directa.

1− 2 ⇒ Resistencia Negativa.

2− 3 ⇒ Conduccion, Activado en polarizacion directa.

2 ⇒(dVAKdiA

)= 0. Corriente de Retencion Ih y Voltaje de

Retencion Vh.0− 4 ⇒ Bloqueo en polarizacion inversa.

2 ⇒(dVAKdiA

)= 0. Corriente de Retencion Ih y Voltaje de

Retencion Vh.0− 4 ⇒ Bloqueo en polarizacion inversa.

4− 5 ⇒ Region de ruptura en polarizacion inversa.

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Bloqueo en Polarizacion InversaBloqueo en Polarizacion DirectaVoltaje de Ruptura en Polarizacion DirectaConduccion en Polarizacion Directa

Bloqueo en Polarizacion Inversa

Factores que limitan el voltaje de ruptura en polarizacioninversa (directa)

Ruptura de Avalancha

Penetracion en la Zona de Agotamiento

J1, J2 y J3 se polarizan

Por la Figura de la derecha: La mayorıa de los voltajesaplicados en polarizacion inversa caeran a traves de J1.¿Por que?

J1, J2 y J3 se polarizan

Por la Figura de la derecha: La mayorıa de los voltajesaplicados en polarizacion inversa caeran a traves de J1.¿Por que?

Respuesta:La union compuesta tiene un voltaje de ruptura siempre masgrande que una union abrupta con la misma curvatura y con elmismo dopado.

Dependencia sobre Wn1 (ancho de n1)

Zona de Agotamiento < Wn1 ⇒ Multiplicacion Avalancha

Zona de Agotamiento > Wn1 ⇒ Penetracion(Punch-Through). A este punto J1 es reducido a J2.

Para una union abrupta de un solo lado de silicio p+ − n conalto dopaje en la region p1, el voltaje avalancha en temperaturaambiente esta dado por

Voltaje Avalancha

VB ≈ 6.0× 1013(Nn1)−0.75

Donde Nn1 es la concentracion de dopaje de la region n1 encm−3.

Voltaje Avalancha

VB ≈ 6.0× 1013(Nn1)−0.75

Voltaje Avalancha

VB ≈ 6.0× 1013(Nn1)−0.75

El voltaje de penetracion para uniones abruptas de un solo ladoesta dado por

Voltaje de Penetracion

VPT =qNn1W

Lımite de la capacidad del bloque para polarizacion inversa entiristores de silicio.

Ejemplo

Para Wn1 = 160µm el voltaje maximo de quiebre es limitado a≈ 1kV , el cual ocurre en Nn1 ≈ 8× 1013 cm−3.

Premisas para encontrar VBR

El voltaje de bloqueo en polarizacion inversa limitado porAvalancha debe caer debajo del dado por una union pnsimple.

Esto debido a la ganancia de corriente de un transistorbipolar pnp.

La condicion VBR corresponde a una configuracion emisorcomun.

M = 1/α1 donde M es el factor de multiplicacionavalancha y α1 la ganancia de la union pnp de base comun.

Voltaje de Ruptura en polarizacion inversa

VBR = VB(1− α1)1/n

Donde VB es el voltaje de quiebre para el efecto avalancha de launion J1, y la n una constante (≈ 6 para diodos de siliciop+ − n). Ya que (1− α1)1/n es menor a la unidad, el voltaje dequiebre de el tiristor sera menor que VB.

VBR = VB(1− α1)1/n

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Bloqueo en Polarizacion Directa

J1, J2 y J3 se polarizan. Ahora solo J2 es polarizadadirectamente

La mayorıa de los voltajes aplicados caen a traves de J2.

VAK ≈ V2.

El tiristor puede ser considerado como dos transistores pnpy npn conectados con el colector de un transistor conectadoa la base del otro, y viceversa.El centro de la union J2 actua como colector de huecos deJ1 y de electrones de J3.

La relacion entre corrientes del emisor, colector y base (IE , IC yIB, respectivamente) y de la ganancia de corriente de basecomun α para un transistor pnp esta dada por:

Relaciones entre IE, IC y IB

IC = αIE + ICO,

IE = IC + IB,

Donde ICO es la corriente de saturacion en polarizacion inversade la union base colector.

La relacion entre corrientes del emisor, colector y base (IE , IC yIB, respectivamente) y de la ganancia de corriente de basecomun α para un transistor pnp esta dada por:

Relaciones entre IE, IC y IB

IC = αIE + ICO,

IE = IC + IB,

Donde ICO es la corriente de saturacion en polarizacion inversade la union base colector.

De la figura es evidente que la corriente de colector deltransistor npn provee control para la base de el transistor pnp.

Tambien la corriente de colector de el transistor pnp a lo largocon la corriente de compuerta Ig suministra control a la basedel transistor npn.

Por lo tanto una situacion de regeneracion resulta cuando laganancia del lazo total es la unidad.

Corriente de base para el transistor pnp

IB1 = (1− α1)IA − ICO1

La cual es suministrada por el colector del transistor npn.

Ganancia de corriente de colector α2 para el

transistor npn

IC2 = α2IK + ICO2

IB1 = (1− α1)IA − ICO1

transistor npn

IC2 = α2IK + ICO2

IB1 = (1− α1)IA − ICO1

transistor npn

IC2 = α2IK + ICO2

IB1 = (1− α1)IA − ICO1

transistor npn

IC2 = α2IK + ICO2

IB1 = (1− α1)IA − ICO1

transistor npn

IC2 = α2IK + ICO2

Relacionando IB1 y IC2 y teniendo IK = IA + Ig, obtenemos

Corriente de anodo IA

IA =α2Ig + ICO1 + ICO2

1− (α1 + α2)(α1 + α2) < 1.

Note que todos los componentes corrientes en el numeradorde la ecuacion son pequenos.

Por lo que IA es pequena a no ser que (α1 + α2) se acerquea la unidad.

A ese punto el denominador de la ecuacioon se aproxima acero y el quiebre de polarizacion positiva o la conmutacionocurrira.

1− (α1 + α2)(α1 + α2) < 1.

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Voltaje de Ruptura en Polarizacion Directa

En la ecuacion de IA, se define una corriente constanteindependiente de VAK .

Si VAK continua incrementando, α1 y α2 se incrementaranhacia la condicion (α1 + α2 = 1).

El alto campo electrico tambien inicializa una multipliacionde portadores.

La interaccion de ganancia y multiplicacion decidira lacondicion de conmutacion y el voltaje de ruptura VBR.

Obteniendo VBR

Asumamos que el voltaje de caıda V2 atraviesa la union essuficiente para producir la multiplicacion por avalancha deportadores.

Obteniendo VBR

Denotamos el factor de multiplicacion para electrones como Mn

y para huecos Mp; ambos son funciones de V2.

Obteniendo VBR

Debido a la multiplicacion, una corriente estable de huecosIp(x1) entrando a la zona de agotamiento en x1 se convierte enMpIp(x1).

Obteniendo VBR

Un resultado similar sera obtenido para la corriente deelectrones In(x2) entrando a la xona de agotamiento en x2.

Obteniendo VBR

Corriente total I cruzando J2

I = MpIp(x1) +MnIn(x2).

Ya que Ip(x1) es actualmente la corriente de colector de eltransistor pnp, podemos expresar Ip(x1) como:

Corriente Ip(x1)

Ip(x1) = α1(IA)IA + ICO1.

Similarmente, podemos expresar la corriente primaria delelectron In(x2) como:

Corriente In(x2)

In(x2) = α2(IK)IK + ICO2.

Corriente Ip(x1)

Corriente In(x2)

Corriente Ip(x1)

Corriente In(x2)

Corriente Ip(x1)

Corriente In(x2)

Sustituyendo las ecuaciones

Ip(x1) y In(x2)

Ip(x1) = α1(IA)IA + ICO1,

en la ecuacion

Obtenemos

I = Mp[α1(IA)IA + ICO1] +Mn[α2(IK)IK + ICO2]Armando Lara Fısica de Semiconductores

Ip(x1) y In(x2)

en la ecuacion

Obtenemos

Ip(x1) y In(x2)

en la ecuacion

Obtenemos

Ip(x1) y In(x2)

en la ecuacion

Obtenemos

Si asumimos que Mp = Mn = M la cual es una funcion de V2, laecuacion

I = Mp[α1(IA)IA + ICO1] +Mn[α2(IK)IK + ICO2]

Se reduce a

I = M(V2)[α1(IA)IA + α2(IK)IK + I0]

donde I0 = ICO1 + ICO2. Para una condicion especıfica deIg = 0, tenemos I = IA = IK , y la ecuacion anterior se reduce a

I = M(V2)[α1(I)I + α2(I)I + I0].Armando Lara Fısica de Semiconductores

Se reduce a

Cuando I >> I0, se reduce aun man a la forma familiar

Podemos cancelar I

M(V2) =1

α1 + α2

El factor de multiplicacion M puede generalmente relacionarseempıricamente con el voltaje de quiebre VB como

M(V2) =1

1− (V2/VB)n

y n es constante.

Podemos cancelar I

M(V2) =1

α1 + α2

M(V2) =1

1− (V2/VB)n

y n es constante.

Podemos cancelar I

M(V2) =1

α1 + α2

M(V2) =1

1− (V2/VB)n

y n es constante.

Podemos cancelar I

M(V2) =1

α1 + α2

M(V2) =1

1− (V2/VB)n

y n es constante.

El voltaje de ruptura en polarizacion directa ahora puede serobtenido de las ecuaciones anteriores

M(V2) =1

α1 + α2,

M(V2) =1

1− (V2/VB)n.

Considerando VAK ≈ V2;