Funzionamento Tiristore

Sinora abbiamo esaminato il tiristore solo dal suo lato elettrico verso l’esterno. Ora dobbiamo esaminare la sua costituzione interna.

Il tiristore consiste di un cristallo di silicio, composto di quattro zone di differenti proprietà conduttrici, cioè quattro zone di silicio drogate parte N e parte P (1), affiancate in modo alternato.

Nella figura la zona esterna P è collegata con un elettrodo: questo è l’anodo del tiristore, l’altra zona esterna, che è zona N, è collegata ad un altro elettrodo, il catodo del tiristore, La zona P, immediatamente sotto alla zona N collegata al catodo, è collegata con un elettrodo laterale: l’elettrodo di controllo.

Nella figura, accanto alle zone con l’indicazione del tipo di zona, vi è anche l’indicazione simbolica, che già conoscete.

Già nelle prime parole avete appreso che il tiristore nel suo comportamento ha molti punti simili al diodo.

Consideriamo ora la struttura a zone di un diodo che chiameremo PSN, consistente di una zona P e di una zona N che includono una zona di minor conduttività S, che chiameremo zona S nel nostro esempio (figura a sinistra).

Se al posto della zona S inseriamo una zona P ed una zona N, abbiamo costituito un tiristore (figura a destra). Spesso questa costruzione a zone viene detta struttura.

Se esaminiamo il comportamento elettrico nella struttura del tiristore, constatiamo che sono di importanza particolare le superfici di contatto fra zone P e zone N. Queste superfici di passaggio da conduzione di tipo P a conduzione di tipo N (o viceversa), vengono chiamate genericamente:“giunzioni PN”. In entrambe le figure le posizioni delle giunzioni PN sono indicate da frecce. Ad es: potete vedere a sinistra che il diodo PSN ha solo “una” giunzione PN.

Vedremo come si diffondono i portatori di cariche elettriche nelle singole zone P ed N, quando si applica una tensione. Prima però dovremo analizzare la condizione delle zone in assenza di corrente.

Per comprendere meglio, nella figura si sono rappresentati i portatori di cariche P ed N come piccoli cerchi (2): quelli rossi indicano la mancanza di elettroni e vengono chiamati “cavità” (portatori P), e quelli verdi indicano gli elettroni (portatori N).

Nel nostro esempio non vi è alcuna tensione ai capi del tiristore, infatti anodo e catodo sono collegati a terra, cioè a potenziale zero.

I portatori di cariche sono equamente distribuiti nelle zone. Sebbene essi siano mobili nelle zone, nella condizione di assenza di un potenziale, e quindi senza passaggio di corrente, non avviene nessuna diffusione dei differenti portatori di cariche.

Questo è dovuto ad una lieve carica spaziale che si forma nella giunzione PN e che provoca una tensione di diffusione, la quale a sua volta impedisce il diffondersi dei diversi portatori di cariche.

Quando l’anodo ed il catodo di un tiristore vengono collegati rispettivamente al negativo (l’anodo) ed al positivo (il catodo) di una batteria, ha luogo una diffusione dei portatori di cariche.

In effetti le cavità, cariche positivamente, vengono attirate dagli elettroni negativi, e perciò si spostano verso l’anodo che è collegato al negativo. Invece gli elettroni negativi vengono respinti dall'anodo e si spostano verso il catodo che è collegato al positivo.

Vengono così a formarsi alle giunzioni PN delle quattro zone delle differenti distribuzioni di cariche. In particolare per le tre giunzioni PN ciò significa (le giunzioni sono state numerate da 1 a 3) - (vedi figura):

• PN1 viene impoverita di portatori di cariche, cioè viene isolata. Perciò PN1 interdice.
• PN2 viene arricchita di portatori di cariche, cioè conduce.
• PN3 come PN1.

Poiché sia PN1 che PN3 interdicono, non passa corrente nel tiristore. Esso si trova cioè: in stato di interdizione.

Se ora colleghiamo l’anodo del tiristore al positivo ed il catodo al negativo di una batteria, si ottengono le seguenti distribuzioni di cariche elettriche (vedi figura sotto):
(Le cavità sono respinte dall'anodo positivo, e gli elettroni al contrario ne vengono attirati).

• PN1 viene invasa da portatori di cariche. Quindi PN1 conduce.
• PN2 viene impoverita di cariche, cioè interdice.
• PN3 come PN1.

Poiché solo PN2, con l’anodo positivo, non permette alla corrente di attraversare il tiristore, questo stato viene chiamato di “blocco”.

In questo caso non si usa la dizione interdizione, perché questa viene riservata solo al caso di anodo collegata al negativo.

In base a ciò che avviene nella struttura a zone del tiristore, abbiamo visto come si creano le condizioni di blocco e di interdizione. Ora manca ancora la condizione di conduzione, perché il quadro del funzionamento del tiristore sia ben chiaro, proprio in ragione della struttura a zone del tiristore.

Partiamo prima dallo stato di blocco . Si può constatare che le giunzioni PN1 e PN3 sono polarizzate nel senso della conduzione. Solo la giunzione PN2 interdice, o meglio blocca. Se si riesce ad arricchire di portatori di cariche questa giunzione, con la sua attuale polarizzazione, anche questa si troverebbe in stato di conduzione; si avrebbero cioè 3 stati di conduzione.

Questo stato di cose però, mentre non si può ottenere variando la polarità degli elettrodi esterni catodo ed anodo, si può invece ottenere con l’aiuto dell'elettrodo di controllo e col circuito di controllo.

Il passaggio dallo stato di blocco a quello di conduzione viene chiamato: innesco del tiristore. Per innescare il tiristore bisogna fornire una tensione all'elettrodo di controllo, e questa tensione di controllo o tensione d’innesco viene fornita dal circuito di controllo del tiristore.

Nel caso più semplice questo circuito è formato da una batteria collegata fra catodo ed elettrodo di controllo. Collegando il polo positivo della batteria all'elettrodo di controllo ed il polo negativo al catodo del tiristore si instaura l’innesco. Così però si è solo chiarito l’aspetto esterno dell'effetto di innesco.