Wybrane technologie i konstrukcje scalone

Tyrystory stanowią półprzewodnikowe elementy przełącznikowe zbudowane z kilku warstw p i n tworzących trzy lub więcej złączy. Zasadę działania tyrystora można przedstawić traktując go jako złożenie dwóch tranzystorów, jak na rys. 4.1 w przypadku struktury czterowarstwowej.

 
Rys. 4.1  Rozpływ strumieni nośników w strukturze tyrystora i reprezentacja tranzystorowa

W takiej reprezentacji złącza j₁ i j₂ stanowią złącza emiter-baza tranzystorów odpowiednio: pnp i npn, a złącze j_C jest wspólnym złączem kolektorowym.
Na charakterystyce prądowo-napięciowej można wyróżnić trzy zakresy pracy tyrystora:

 
Rys. 4.2 Charakterystyki prądowo-napięciowe tyrystora

Zakres zaporowy odpowiada ujemnej polaryzacji zacisku anodowego (A) względem katodowego (K). W tym przypadku tylko złącze j_C jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, natomiast złącza  j₁ i j₂ są spolaryzowane zaporowo, co ogranicza prąd płynący przez tyrystor. W tych warunkach polaryzacji charakterystyka tyrystora ma zatem typowy kształt charakterystyki wstecznej diody (łącznie z zakresem przebicia).

Zmiana kierunku polaryzacji (V_A > V_K) wprowadza tyrystor w stan blokowania. Złącza  j₁ i j₂ przewodzą, a złącze j_C jest spolaryzowane zaporowo. Odpowiada to normalnej pracy obu wyróżnionych tranzystorów zastępczych (rys. 4.1) przy rozwartej bazie, jeżeli zaniedbać początkowo istnienie elektrody bramki G. Przez tyrystor płynie zatem niewielki prąd  ograniczony prądem generacji Ig w zaporowo spolaryzowanym złączu j_C (analogicznie jak I_CEO w tranzystorze) i współczynniki wzmocnienia prądowego tranzystorów zastępczych a₁ i a₂ mają niewielką wartość.

Korzystając z modelu rozpływu nośników ładunku w strukturze tyrystora (rys. 4.1) można zapisać bilans składników prądu:

     $I_{A}=(I_{g}+\alpha _{1}I_{A}+\alpha _{2}I_{K})\cdot M,$     (4.1)

gdzie uwzględniono dodatkową generację zderzeniową nośników w warstwie zaporowej złącza j_C przez wprowadzenie do równania współczynnika powielania lawinowego M. W przyrządzie dwuzaciskowym:
    $I_{A}=I_{K},$
co prowadzi do następującego wyrażenia określającego prąd płynący przez tyrystor w stanie blokowania:

    $I_{A}=\frac{MI_{g}}{1-(\alpha _{1}+\alpha _{2})\cdot M}.$      (4.2)

Powyższe równanie wskazuje warunek przełączenia tyrystora do stanu przewodzenia:

   $(\alpha _{1}+\alpha _{2})\cdot M =1,$      (4.3)

który oznacza zapoczątkowanie wzrostu prądu do nieskończoności. Osiągnięcie tego warunku jest możliwe dzięki wzrostowi wartości współczynników wzmocnienia prądowego tranzystorów zastępczych (i ewentualnie współczynnika powielania) towarzyszącemu narastaniu prądu. Po przekroczeniu wartości określonych warunkiem (4.3), wzór (4.2) przestaje obowiązywać, ponieważ następuje przepolaryzowanie złącza j_C w kierunku przewodzenia. Mechanizm tego zjawiska jest następujący: gdy liczba nośników dostarczanych przez warstwę zaporową złącza j_C do baz obu tranzystorów zastępczych staje się większa od liczby nośników rekombinujących w złączach baza-emiter, te nadmiarowe nośniki gromadzą się na krańcach warstwy zaporowej złącza j_C neutralizując ładunki domieszek. W konsekwencji gwałtownie maleje spadek napięcia na tyrystorze, a po przełączeniu w stan przewodzenia charakterystyka prądowo-napięciowa odpowiada przewodzącej diodzie.
Przełączenie tyrystora (spełnienie warunku (4.3)) mogą wyzwolić następujące zjawiska:
•    Wzrost prądu I_g na skutek wzrostu temperatury lub wystąpienia innych czynników generacyjnych (oświetlenie, promieniowanie jonizujące),
•    Wzrost napięcia powodujący jednocześnie zwiększenie M i (a₁ + a₂) – jest to zjawisko podobne do mechanizmu przebicia tranzystora w konfiguracji WE przy rozwartej bazie (sprzężenie zwrotne między powielaniem nośników a wzrostem wstrzykiwania z emitera),
•    Wzrost (a₁ + a₂) towarzyszący impulsowi prądu przeładowania pojemności złącza j_C na skutek szybkiej zmiany napięcia na tyrystorze: 
         $j_{A}\approx C_{j}\frac{\mathrm{d} u_{AK}}{\mathrm{d} t}.$

Powyższe zjawiska prowadzą do przełączenia przyrządu dwuzaciskowego nazywanego dynistorem (charakterystyka dla I_G = 0 na rys. 4.2).

Częściej wykorzystuje się przyrząd trójzaciskowy – z dodatkową elektrodą bramki jak na rys. 4.1, nazywany trynistorem (ang. SCR – Semiconductor Controlled Rectifier) lub popularnie tyrystorem jak cała rodzina omawianych przyrządów.

•    Wymuszenie przepływu prądu bramki zwiększa prąd katody: 
         $I_{K}=I_{A}+I_{G},$
    co prowadzi do modyfikacji wzoru (4.2):
         $I_{A}=\frac{M(I_{g}+\alpha _{2}I_{G})}{1-(\alpha _{1}+\alpha _{2})\cdot M},$     (4.4)
    ale przede wszystkim pozwala wpływać na wartość a₂ i dzięki temu sterować wartością napięcia przełączenia tyrystora do stanu przewodzenia jak na rys. 4.2.

Dynistor i trynistor (tyrystor) stanowią przyrządy pracujące jednokierunkowo – posiadają asymetryczną charakterystykę prądowo-napięciową. Wprowadzenie dodatkowej piątej warstwy (piątego złącza) do struktury tyrystora pozwala uzyskać symetryczne właściwości (zastąpić stan zaporowy charakterystyką z I ćwiartki wykresu na rys. 4.2) i przełączać przyrząd dwukierunkowo. Wśród takich tyrystorów wyróżnia się:
diak – przyrząd dwuzaciskowy,
triak – przyrząd trójzaciskowy.

 
Rys. 4.3 Symbole graficzne tyrystorów

Na rys. 4. 2 zaznaczono tzw. prąd trzymania I_H jako minimalny prąd anodowy, przy którym tyrystor pozostaje w stanie przewodzenia. Wyłączenie tyrystora realizowane może być przez odpowiednie zmniejszenie napięcia U_AK lub wymuszone zmianą kierunku prądu bramki I_G.
Tyrystory najczęściej są stosowane w układach zasilania – prostownikach wielkiej mocy. Pozwalają małą mocą (w obwodzie bramki) regulować dużą energię oddawaną do obciążenia R_L (w obwodzie A-K) jak na rys. 4.4 . 

 
Rys. 4.4 Układ prostownika tyrystorowego