TIRISTORE

TIRISTORE

Il termine, adattamento dell'inglese thyristor, composto di thyr(atron) (dispositivo elettronico a valvole per alta potenza) e (trans)istor, indica in generale una famiglia di dispositivi elettronici a semiconduttore che mostrano caratteristiche di bistabilità, potendo essere commutati tra uno stato di alta impedenza e bassa corrente ("stato di blocco", off state) e uno stato di bassa impedenza e alta corrente ("stato di conduzione", on state). La presenza di questi due stati e il basso consumo di potenza a essi associato hanno permesso ai t. di trovare vaste applicazioni nell'elettronica di media-alta potenza, dal controllo degli apparecchi elettrodomestici ai convertitori per sistemi di trasmissione ad alta tensione. Questi dispositivi sono oggi disponibili con correnti fino a migliaia di ampere e con tensioni superiori a 10.000 V (v. anche elettronica, App. IV, i, p. 677).

Principio di funzionamento. - La struttura di base dei t., concepita negli anni Cinquanta con il contributo di W. Shockley, J.J. Ebers e J.L. Moll, è costituita da quattro strati di semiconduttore (silicio) con drogaggio alternato (p-n-p-n), che formano tre giunzioni p-n. Gli elettrodi posti sugli strati p e n esterni si chiamano rispettivamente anodo e catodo, mentre i contatti con gli strati interni formano gli elettrodi di porta (ingl. gate).

La struttura più semplice, che presenta i contatti con l'esterno solo nell'anodo e nel catodo, è nota come t. a due terminali o diodo di Shockley (fig. 1) ed è caratterizzata da una dipendenza piuttosto complessa tra corrente e tensione. Quando la tensione tra anodo e catodo è negativa, il dispositivo non conduce corrente, perché le due giunzioni p-n esterne risultano polarizzate inversamente (regione di blocco inverso); tuttavia, allorché la tensione negativa applicata raggiunge il cosiddetto valore di breakdown, tra gli elettrodi può fluire un'elevata corrente (regione di rottura inversa). Quando invece tra anodo e catodo è presente una differenza di potenziale positiva, divengono possibili diversi modi di funzionamento. Nella regione di blocco diretto la conduzione è impedita dalla giunzione centrale n-p, che risulta polarizzata inversamente, mentre le giunzioni esterne p-n risultano polarizzate direttamente e quindi in conduzione.

In realtà, le lacune iniettate dall'anodo attraverso la prima giunzione p-n possono diffondere nello strato n centrale, essere raccolte dalla seconda giunzione n-p e raggiungere il catodo, dopo aver attraversato la terza giunzione p-n. Questo flusso di portatori è però generalmente molto basso, perché lo strato n centrale è spesso, e quindi in esso le lacune hanno un'elevata probabilità di ricombinare. Tuttavia, quando la tensione ai capi della giunzione n-p centrale diviene sufficientemente elevata, le lacune che attraversano questa regione possono dar luogo a processi di moltiplicazione a valanga, che generano elevate correnti di attraversamento. A questo punto anche la giunzione centrale n-p va in conduzione, come le altre giunzioni p-n esterne, e il dispositivo passa nello stato on (regione di conduzione diretta), dopo aver rapidamente attraversato la regione a resistenza negativa (così detta perché in essa una diminuzione di tensione è accompagnata da un aumento di corrente).

Tipi di tiristori. - Nel t. più noto, detto ''t. a tre terminali'' o SCR (Semiconductor Controlled Rectifier), alla struttura p-n-p-n sopra descritta viene aggiunto un elettrodo di porta collegato allo strato p interno (fig. 2). La funzione di questo terzo elettrodo è quella di controllare la tensione di accensione del dispositivo (cioè la tensione necessaria per passare dallo stato di blocco diretto a quello di conduzione diretta). Come mostrano le caratteristiche corrente-tensione, all'aumentare della corrente che fluisce nell'elettrodo di porta la tensione di accensione viene ridotta. Si noti tuttavia che per tornare dallo stato on allo stato off in un SCR non si può inviare un comando di porta, ma è necessario ridurre la corrente anodica al di sotto di un valore minimo di sostentamento, oppure invertirla. Questa limitazione può essere superata con il t. GTO (Gate Turn-Off thyristor), nel quale l'accensione e lo spegnimento si ottengono polarizzando il terminale di porta rispettivamente con una tensione positiva o negativa. Tale tipo di dispositivo trova applicazione negli invertitori, nei generatori di impulsi, nei circuiti di commutazione in corrente continua e, in generale, nei comandi dei motori industriali e dei motori per trazione.

Il comando di accensione di un t. può essere anche dato da un segnale luminoso, come avviene nei dispositivi fotoattivati di tipo LAS (Light-Activated Switch) o LASCR (Light-Activated SCR). In questo caso l'elettrodo di porta non è collegato elettricamente, ma è connesso a una fibra ottica che trasmette il segnale luminoso. La luce genera nella porta una fotocorrente che viene amplificata dalla struttura p-n-p-n e porta il t. nello stato di conduzione, in un tempo tanto minore quanto maggiore è l'intensità luminosa. I t. fotoattivati permettono un isolamento elettrico perfetto tra il circuito di potenza, connesso all'anodo e al catodo, e quello di controllo, connesso al terminale di porta; perciò si utilizzano particolarmente nei sistemi a corrente continua in alta tensione.

Modificando la struttura del t. è anche possibile modificare il suo comportamento elettrico, in particolare le caratteristiche inverse di corrente-tensione. Sono così disponibili t. a conduzione inversa, detti RCT (Reverse Conducting Thyristor), che risultano accesi anche per tensioni anodiche negative (fig. 3) e che vengono utilizzati nei circuiti di commutazione bidirezionale in corrente alternata. Un comportamento elettrico totalmente bidirezionale è ottenuto nei t. di tipo DIAC (Diode Alternate Current Switch), a due terminali, e di tipo TRIAC (Triode Alternate Current Switch), a tre terminali. Il primo tipo è costituito dall'integrazione di due diodi Shockley connessi in configurazione antiparallela (fig. 4A), il secondo è essenzialmente ottenuto dall'integrazione di due SCR in configurazione antiparallela (fig. 4B). L'uso della connessione in antiparallelo rende le caratteristiche corrente-tensione di tali dispositivi del tutto simmetriche, come è mostrato in fig. 4C. I TRIAC hanno larghissima applicazione nel controllo di potenza in alternata, fino a tensioni di 2000 V e correnti di 500 A. A potenze più elevate le loro prestazioni divengono inadeguate, a causa delle interazioni tra i due SCR integrati, e occorre allora ricorrere a t. di potenza discreti, connessi in modo antiparallelo.

Bibl.: S.M. Sze, Physics of semiconductor devices, New York 1981; P.D. Taylor, Thyristor design and realization, ivi 1987; J. Vithayathil, Power electronics: principles and applications, ivi 1995.