DISPOZITIVE MULTIJONCTIUNE

Dispozitivele multijonctiune sunt dispozitive semiconductoare cu mai mult de doua jonctiuni.

Tehnologia actuala permite realizarea unor dispozitive compuse avand mai multe jonctiuni (spre exemplu tranzistori Darlington, sau tranzistori cu efect de camp cuplati cu tranzistori bipolari sau cu tiristori, s.a.). In cadrul capitolului vor fi prezentate dispozitivele clasice care pot constitui structuri de sine statatoare si anume:

dioda PNPN;

tiristorul;

triacul;

tranzistorul unijonctiune - realizat asa cum spune numele si realizat cu structuri multijonctiune.

1. Dioda PNPN

Dioda PNPN este formata din patru zone semiconductoare, ca in figura 1a - zonele de conectare a electrozilor fiind mai puternic dopate cu impuritati. Simbolul dispozitivului este prezentat in figura 1b.

Accesul la dispozitiv se face prin electrozii A - anod si K - catod.

Aplicand tensiunea de alimentare , jonctiunile J₁ si J₃ vor fi polarizate direct pentru ca J₁ primeste tensiune pozitiva pe zona P⁺ iar J₃ primeste tensiune negativa pe zona N⁺ a jonctiunii.

Tensiunea pozitiva a sursei se aplica prin rezistenta mica a jonctiunii J₁ (in conductie) pe zona N a jonctiunii J₂ . Tensiunea negativa a sursei se aplica prin rezistenta mica a jonctiunii J₃ (in conductie) pe zona P a jonctiunii J₂ . Rezulta ca jonctiunea J₂ va fi polarizata invers.

Polarizarea inversa a jonctiunii J₂ determina zone de golire in semiconductorii centrali N si P ceea ce conduce la aparitia campului electric intern E₀ ce se opune transferului de electroni din N in P si transferului de goluri din P in N.

Odata cu cresterea tensiunii , zona de golire se extinde si intensitatea campului E₀ creste; J₁ si J₃ fiind polarizate direct rezulta ca exista un transfer de goluri din zona P⁺ in N si de electroni din zona N⁺ in P.

In figura 2 este prezentata caracteristica statica a diodei PNPN.

Pana in acest punct a fost prezentata portiunea OA a caracteristicii statice.

In conditiile in care V_AK ajunge la intensitatea campului E₀ a crescut suficient pentru ca golurile provenite din zona P⁺ sa fie preluate de forta datorata campului E₀ si sa fie transferate in zona P a jonctiunii J₂. La fel se petrec lucrurile cu electronii proveniti din zona P⁺ care vor fi transferati in zona N a jonctiunii J₂ .

S-a stabilit un transfer de electroni si goluri prin J₂ => J₂ a basculat in conductie, astfel apare un curent de goluri care se inchide de la zona P⁺ la catodul K si un curent de electroni de la N⁺ la anodul A.

Astfel vom avea de-a face cu trei jonctiuni polarizate direct (in conductie) care determina saltul din A in B.

Scaderea tensiunii in punctul B este datorata faptului ca toate jonctiunile sunt in conductie si V_B ar trebui sa fie 3x0,65V = 1,95 V.

Portiunea BC reprezinta cresterea curentului celor trei jonctiuni cand tensiunea aplicata creste.

Curba ODE se obtine pentru toate trei jonctiunile in polarizare inversa.

Recapituland avem:

OA - zona de blocare la polarizarea directa a dispozitivului, pentru tensiunea (se numeste tensiunea de amorsare)

OD - zona de blocare la polarizarea inversa a dispozitivului (se obtine pentru tensiuni negative < (tensiunea de strapungere).

In ambele OA si OD curentii sunt mici.

DE - zona de multiplicare in avalanse a purtatorilor

BC - zona de conductie a dispozitivului .

Functionarea dispozitivului mai poate fi explicata pe baza teoriei tranzistorului, constatand ca structura semiconductoare poate fi descompusa ca in figura 3.

Se constata ca dioda PNPN este formata din doi tranzistori diferiti Unul PNP si celalalt NPN interconectati.

In figura 4 sunt prezentate conexiunile celor doi tranzistori.

In figura 5 este prezentata variatia factorului static de amplificare in conexiunea baza comuna α_F la modificarea curentului de emitor (de fapt curentul anodic al diodei PNPN).

α_F1 se refera la tranzistorul PNP

α_F2 se refera la tranzistorul NPN

Curentii de colector se exprima in functie de curentii de emitor.

Dar succesiv putem scrie:

,

.

Conform relatiei de mai sus dintre curentii de emitor si curentul anodic obtinem:

.

Expresia curentului anodic permite o explicatie a saltlui curentului cand tensiunea V_AK atinge valoarea tensiunii de amorsare.

Cresterea V_AK => cresterea i_A ,ceea ce conduce la cresterea sumei (), conform figurii Cand tensiunea , curentul i_A (i_E) a crescut suficient pentru ca () sa fie egal cu unitatea. Anulandu-se numitorul din expresia curentului i_A T efectueaza un salt din punctul A al caracteristicii statice in punctul B . Curentul creste in continuare pe ramura BC a caracteristicii statice. Cresterea curentului se opreste la o valoare stabilita de elementele externe dispozitivului.

Spre exemplu daca circuitul arata ca in figura 6 se poate scrie teorema K II pe ochiul de circuit , relatie numita dreapta de sarcina. Ecuatia dreptei de sarcina impreuna cu ecuatia caracteristicii statice determina punctual static de functionare (PSF), determina de fapt valoarea la care se stabileste curentul in circuit .

In figura 7 este rezolvat grafic sistemul. Prin intersectia dreptei de sarcina cu graficul caracteristicii statice se determina pozitia punctului static de functionare, notat pe figura PSF.

Iesirea din conductia dispozitivului se face numai prin scaderea curentului prin dispozitiv sub valoarea curentului de mentinere I_m.

Intrarea in conductie a dispozitivului poate avea loc:

cresterea tensiunii V_AK peste valoarea tensiunii de amorsare V_Am0 , cum s-a vazut mai sus;

prin cresterea temperaturii, care conduce la cresterea factorilor statici de amplificare si a curentului i_A (prin cresterea curentilor reziduali ) determinand anularea numitorului si bascularea in conductie;

prin viteze mari de crestere a tensiunii V_AK (prin efectul (C_j - capacitatea jonctiunii) care conduce la cresterea si la bascularea in conductie a jonctiunii J₂.

Ultimele doua moduri de intrare in conductie a dispozitivului nu sunt dorite si se iau masuri pentru a fi prevenite.

Dispozitivul este utilizat la protectia impotriva supratensiunilor accidentale aplicate circuitelor, montandu-se in paralel cu circuitul protejat. In conditiile in care tensiunea de alimentare a circuitului protejat depaseste , dispozitivul intra in conductie si tensiunea scade la valoarea tensiunii de amorsare(in jur de 2V).

2. Tiristorul conventional

Tiristorul este realizat ca dioda PNPN, dar in apropierea catodului, pe zona semiconductoare de tip P este montat un terminal (electrod) cu functia de comanda numit grila sau poarta, ca in figura 8 a.

Simbolul dispozitivului este prezentat in figura 8a.

Electrodul de comanda al tiristorului (grila) injecteaza purtatori in zona jonctiunii polarizate invers a structurii PNPN. Campul electric intern creste ceea ce face ca purtatorii din zona P⁺ sa intre sub influenta campului electric la tensiuni V_AK mai mici si jonctiunea sa basculeze din blocare in conductie. Rezulta ca grila, prin curentul injectat, scade tensiunea de amorsare. Curentul I_A se stabileste in circuit pentru valori mai mici ale tensiunii aplicate.

De aici ideea care a condus la aplicatiile tiristorului - folosind tensiuni de alimentare V_AA< V_Am0 tiristorul nu va intra in conductie decat daca se aplica un semnal de comanda pe grila tiristorului, altfel tiristorul ramane blocat.

Anularea curentului I_A si iesirea dispozitivului din conductie se face numai prin scaderea, pe o cale oarecare, a valorii curentului I_A sub valoarea curentului de mentinere (I_A< I_m). Grila nu are nici un rol in blocarea tiristorului conventional.

Pentru a realiza blocarea exista doua posibilitati:

scaderea catre zero a tensiunii de alimentare;

aplicarea unei tensiuni de polaritate opusa circuitului anod - catod.

Valori maxime:

I_Amax = 5,500 A

V_{AK inv max} = V_BR = V_B0 =6,500 V

Utilizari : circuite de redresare, circuite pentru conversia puterii, invertoare, circuite de control a puterii transmise sarcinii, circuite pentru comanda actionarilor electrice, circuite pentru imbunatatirea factorului de putere.

Domeniul: circuite de putere mare si foarte mare.

Realizari constructive ale tirstorului conventional

Tiristoarele se realizeaza in urmatoarele tipuri principale :

(1)- Tiristoare pentru aplicatii la frecventa retelei (50Hz sau 60Hz)

(2)- Tiristoare pentru invertoare

(3)-Tiristoare cu blocare asistata de poarta (ASCR)

(4)-Tiristoare asimetrice

(5)-Tiristoare cu conductie inversa (RCT)

(6)-Tiristoare cu comanda optica (optotiristoare)

(7)-Tiristoare cu blocare pe poarta (GTO)

In continuare sunt comentate principalele caracteristici, utilizand urmatoarele notatii pentru marimile :

I_T - curentul anod-catod, cind tiristorul este in conductie;

V_T - caderea de tensiune V_AK, cind tiristorul este in conductie;

V_GT - tensiunea apilcata intre grila si catod V_GK;

I_GT - curentul absorbit de grila cind tiristorul este in conductie;

V_DRM = V_B0 - tensiunea maxima in sens direct (V_AK > 0) care nu

determina amorsarea fara comanda pe grila;

V_RRM - tensiunea inversa (V_AK < 0) maxima - de strarungere ;   

P_D - puterea maxim disipata;

dV_AK dt - viteza maxima de crestere a tensiunii anodice;

dI_T dt - viteza maxima de crestere a curentului anodic;

t_c - timpul de comutare in conductie (din blocare);

tq - timpul de blocare (comutare din conductie in blocare).

(1) Tiristoarele pentru aplicatii la frecventa retelei sunt utilizate in circuite la care blocarea se efectueaza prin comutatie naturala, adica blocarea dispozitivului are loc la trecerea prin zero a curentului anodic.

Au o viteza redusa de comutatie (t_c =15ms ; tq =300 ms) ceea ce face ca sa aiba o cadere mica de tensiune in conductie V_T 2,3 V.

Curentul in sens direct este    I_T= 5, . ,3000 A.

Tensiunea pe poarta pentru amorsare V_GT 3V la curenti I_GT 1A.

Tensiunea inversa maxima V_DRM=V_RRM 4kV.

dV_AK dt=50,,1000 V ms ; dI_T dt < 50 A ms ;

(2)Tiristoarele pentru invertoare sunt utilizate in circuite alimentate cu tensiune continua, motiv pentru care se construiesc cu timpi de blocare mici din domeniul t_q=5,,50ms.

I_T < 1500 A    ;V_RRM 1200 V V_DRM=V_BO 2500 V

(3)-(4)Tiristoarele asimetrice si tiristoarele cu blocare asistata pe poarta au posibilitatea de a bloca numai tensiunea aplicata la polarizarea directa V_DRM=V_BO 2 kV , pentru curenti I_T 400 A.

La polarizarea inversa (V_AK<0 ) tensiunile de blocare au valori foarte mici.

Asistarea pe poarta consta in aplicarea unui impuls negativ pe poarta I_GT 1 A (V_GT= - 4,,- 8 V) in momentul cand tiristorul trece din conductie in blocare.

(5)Tiristorul cu conductie inversa are la polarizarea directa caracteristica statica a tiristorului iar la polarizarea inversa are caracteristica statica a unei diode in conductie. Lucreaza la frecvente de comutare mari 20kHz.

(6) Tiristorul cu comanda optica (Optotiristorul) poate fi amorsat prin iluminare pentru lungimi de unda din domeniul l mm. Rolul grilei este jucat de fibra optica prin care se transporta lumina. Puterea optica pentru comanda tiristorului este 0.2 mW.

Alte caracteristici:

I_T 1500A ; V_DRM=V_RRM 4kV;

dV dt=1500,..,2000 V ms ,; di dt = 250 A ms.

(7)Tiristorul cu blocare pe poarta (GTO) amorseaza prin semnal pozitiv aplicat pe poarta si se blocheaza cu semnal negativ pe poarta (chiar daca V_AK > 0). Necesita putere de comanda mult mai mare decat cea necesara pentru un tiristor.

Spre exemplu pentru I_T=500 A (V_T=1.9 V) este necesar un curent I_GT=250 mA la V_GK=6 V, comutarea efectuandu-se in    t_c ms.

Valori maxime I_T=2000 A V_RRM = 16 V;V_DRM=4500 V; V_T=2V; I_GT=0.8 A; tq = 30ms; t_c ms .

3. Triacul

Triacul este un dispozitiv semiconductor realizat ca sa indeplineasca functia a doi tiristori conectati antiparalel.

In figura 9a sunt evidentiate zonele semiconductoare iar in figura 9b este prezentata schema echivalenta a triaclui.

Pentru ca circulatia curentului poate avea loc in ambele sensuri electrozii principali sunt numiti anozi A₁ si A₂ , iar electrodul de comanda pastreaza numele de G grila, in figura 10 fiind prezentat simbolul triacului.

Caracteristica statica a triacului este formata din caracteristicile statice ale celor doi tiristori cuplati. Pentru tensiuni V_AK = V_A1A2 pozitive caracteristica statica este prezentata in figura 2.

Semnalul de comanda aplicat pe grila poate avea orice polaritate fata de anodul A₂, dar sensibilitatea maxima a comenzii se obtine daca polaritatea tensiunii de comanda V_GA2 este aceeasi cu polaritatea tensiunii V_A1A2.

Raportul intre puterea din circuitul principal si puterea de comanda este in favoarea utilizarii tiristorilor, uc toate ca circuitele de comanda sunt mai complicate.

Valori maxime:

I_Amax = 500 A

V_{AK inv max} = V_BR = V_B0 =4,500 V

Utilizari: circuite pentru comanda masinilor electrice, invertoare, circuite de control a puterii transmise sarcinii, circuite pentru comanda iluminatului.

Domeniul: circuite de putere mica si medie.

4. Tranzistorul unijonctiune

Tranzistorul unijonctiune este un dispozitiv electronic avand o caracteristica statica, prezentata in figura 11, care prezinta o zona de rezistenta negativa.

Constatam ca in zona AB panta curbei este negativa ( ).

Dispozitivul electronic numit TUJ are o implementare practica in doua variante, una contine o singura jonctiune numit TUJ clasic (fig. 12a) iar cealalta contine trei jonctiuni si se cunoaste sub numele de TUJ programabil (fig. 12b).

Electrozii dispozitivului se numesc baze B₁ si B₂ iar electrodul de comanda se numeste emitor.

TUJ - ul clasic, prezentat in figura 12a, este realizat dintr-o bara semiconductoare de tipul N (formand cele doua baze), iar la o distanta controlata de unul din capete s-au difuzat impuritati acceptoare asa fel incat sa se realizeze jonctiunea PN a emitorului. Bara semiconducuctoare prezinta rezistenta sub jonctiune si rezistenta deasupra jonctiunii, ca in figura 13. Jonctiunea emitorului este reprezentata de dioda din schema echivalenta.

Cat timp tensiunea de alimentare a emitorului V_E este mica dioda, constituita din jonctiunea PN, este blocata, ceea ce inseamna ca avem de-a face cu o zona de golire care se extinde cu precadere in semiconductorul de tipul N.

Dida intra in conductie cind este indeplinita conditia V_E≥V_D+V_A, unde tensiunea V_A se exprima in functie de tensiunea V_CC

.

Se poate face aproximarea de mai sus pentru ca prin dispozitiv circula un curent mic si caderea de tensiune pe R_S poate fi neglijata.

Jonctiunea PN intra in conductie determinind injectarea de purtatori in spatiul definit de rezistenta . Crescand numarul de purtatori va creste conductivitatea zonei N aflata sub jonctiune, determinand o scadere brusca a rezistentei , ceea ce conduce la cresterea curentului I_E.

Constatam ca la tranzitia din blocare in conductie a dispozitivului nu avem o multiplicare in avalansa a purtatorilor ci numai cu o scadere a rezistentei .

Se defineste raportul intrinsec de divizare a bazelor prin

.

Tensiunea la care se produce bascularea V_P se numeste tensiune de prag, vezi caracteristica statica din figura 11, iar V_V se numeste tensiune de vale. In figura 14 sunt prezentate simbolurile celor doua tipuri de tranzistori unijonctiune:

a)      trnzistorul unijonctiune clasic;

b)      trnzistorul unijonctiune programabil.

Deosebirea intre cele doua tipuri consta in faptul ca raportul intrinsec de divizare a bazelor in cazul TUJ-ului clasic este fix, pe cand la

TUJ-ul programabil raportul intrinsec de divizare se stabileste din exterior, cu cele doua rezistoare din figura 14b, avand expresia .

In figura 15 se prezinta schema si formele de unda asociate unui oscilator de relaxare cu TUJ

programabil. La conectarea sursei de alimentare, dispozitivul este blocat si condensatorul C se incarca, de la Vcc cu o tensiune, care tinde catre valoarea tensiunii de alimentare intr-un timp notat cu T₀. Momentrul T₀ reprezinta momentul de timp cand tensiunea pe condensator este suficient de mare pentru ca doda din schema echivalenta sa intre in conductie, determinind scaderea rezistentei de sub emitor.

Tensiunea pe condensator are valoarea:

V_C(T₀)=Vs+ηV_CC= ηV_CC .

La T₀ incepe procesul rapid de descarcare a sarcinii de pe condensator prin rezistenta de valoare mica de sub zona emitorului si primarul transformatorului TR.

Din conditia de mai sus se deduce valoarea timpului de crestere a impulsului ,

unde s-a notat constanta de timp cu .

Dispozitive multijonctiune hibride

Termenl de "hibrid" se refera la faptul ca dispozitivul multijonctiune nu este realizat numai pe baza jonctiunilor semiconductoare ci contine si jonctiuni metal - semiconductor.

Mai intai, in figura 16, prezentam domeniile in care se utilizeaza principalele dispozitive electronice de putere.

Fig. 5.16.

Incadrarea dispozitivelor se face in functie de curentul, tensiunea si frecventa la care poate functiona dispozitivul. Avem urmatoarele domenii :

tranzistori bipolari (TBP), pentru f < 50 kHz

;

tranzistori MOS-FET pentru f < 200 kHz

;

tiristori conventionali, prevazuti cu circuite auxiliare care sa

determine iesirea comandata din conductie, pentru f < 500Hz

;

tiristori GTO, pentru f < 2 kHz

;

tiristori I.G.B.T pentru f < 20 kHz

;

tranzistori Darlington - cu domeniul stabilit de TBP.

In continuare prezentam principalele dispozitive hibride.

Tiristorul MOS (MOS controlled thyristor = MCT)

Este o structura formata din doi tranzistori care modeleaza un tiristor, la care se adauga un tranzistor MOS care sa realizeze blocarea structurii. Schema de principiu a dispozitivului este prezentata in figura 17. Tranzitorii bipolari complementari Q₁, Q₂ modeleaza tiristorul. Daca se aplica un impuls pozitiv pe G₁ fata de K, tiristorul intra in conductie. Tranzistorul MOS Q₃ este blocat, tensiunea V_DS fiind mica si anume egala cu V_G1K. Pentru a bloca structura se impune a aduce in conductie tranzistorul Q_3, ceea ce se realizeaza prin aplicarea unui impuls pe G₂ (fata de K). Tranzistorul Q₂ se blocheaza si astfel se anuleaza curentul anodic.

In figura 18 este prezentata a) o realizare fizica a MCT si b) schema structurala.

Tranzistorul NPN este in paralel cu un canal de tipul N (on FET) avand rolul de a initia procesul regenerativ de intrare in conductie a structurii.

Tranzistorul PNP este in paralel cu un canal de tipul P (off FET) avand rolul de a initia procesul regenerativ de blocare a structurii.

	Fig. 5.17.

b)

Fig. 5.18.