Báo cáo bài tập lớn vật lý bán dẫn Đề tài tìm hiểu về thyristor

Dựa vào tính chất có thể kiểm soátđượ c một lượ ng lớn điện áp và năng lượ ng nên Thyristor đượ cứng dụng nhiều trong điều chỉnh ánh sáng, công suất điện và điều khiển tốc độ của động c

Danh sách thành viên  

2  Đặng Thế Tường

4 Hồ Phm Thanh Hip

5 Trần Nguyễn Quang Nhật

L ờ i m ở   đầ u

M ụ c l ụ c

1 Khái quát về  Thyristor 5

1 Khái niệ m 5

1.2 S ự   ra đời và phát triể n 6

1 3 Các phương pháp sả n xu ấ t Thyristor ph ổ  bi ế n 9

2 C ấ u t ạ o c ủ a m ộ t thyristor: 10

2.1 Kí hiệ u c ủ a thyristor: 11

2.2 Các loại thyristor thông dụng trên thị   trườ ng: 11

2.3 Các thông số  k ỹ  thu ậ t c ủ a m ộ t thyristor: 12

3 Nguyên lý hoạt độ ng c ủa thyristor như thế   nào? 14

3.1 Trườ  ng h  ợ  p 1: C ực G để  h ở  hay VG =OV 14

3.2 Trườ ng h ợp 2: Đóng khóa K 15

3.3 Trườ ng h ợp 3: Phân cực ngượ c Thyristor 16

4 Đặ c tuy ế n Volt  –  Ampere c ủ a Thyristor 16

4.1 Trườ ng h ợp dòng điện vào cực điề u khi ể n b ằng không (IG  = 0) 16

4.2 Trườ ng h ợp có dòng điện vào cực điề u khi ể n (I G  > 0) 17

5 Cách đo và kiể m tra Thyristor 18

6 Ứ ng d ụ ng 18

7 Phân Tích Ứ ng D ụ ng C ủ a Thyristor 20

8 Ph ụ  l ụ c 21

8.1 Tài Liệ u Tham Kh ả o 21

8.2 Nh ận Xét Củ a Gi ảng Viên 22

8.3 Thông Tin Liên Hệ 22

1 Khái quát về  Thyristor

1.Khái niệm

Thyristor hay còn đượ c gọi là chỉnh lưu silic có điều khiển, tên đầy đủ của là

Silicon Controlled Rectifier (gọi tắt là SCR).

Thyristorà một linh kiện đượ c sử dụng rộng rãi hiện nay trong các thiết bị điện

tử,là phần tử  bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n (các lớ p chuyển tiếp P- N mang tính chất chính và là đặc trưng của linh kiện).

Thyristor bản chất là một điốt được ghép từ 2 transistor vớ i hai chiều đối nghịch

và có thể điều khiển được Chúng sẽ hoạt động khi đượ c cấp điện; và khi không

có điện sẽ tự động ngắt, trở  về trạng thái ngưng dẫn  

Dựa vào tính chất có thể kiểm soátđượ c một lượ ng lớn điện áp và năng lượ ng

nên Thyristor  đượ cứng dụng nhiều trong điều chỉnh ánh sáng, công suất điện

và điều khiển tốc độ của động cơ điện trong những thiết bị có yêu cầu điện áp

và dòng điện lớ n.

Thyristor

Các lớ  p chuyể n tiế  p P-Nvà các cự c của Diode và Thyristor  

  1.2 Sự  ra đời và phát triển

Điện tử học công suất ra đời vào năm 1901nhờ  việc phát minh ra bộ chỉnh lưu

hồ quang thủy ngân và tiếp tục phát triển mạnh sau đó. 

 Năm 1948, Việc phát minh ra bóng bán dẫn lưỡ ng cực tại BTL ( Bell

Telephone Laboratories -Phòng thí nghiệm Bell) đã trở  thành một động lực lớ n cho việc nghiên cứu sâu hơn về các linh kiện bán dẫn nhằm thay thế các linh

kiện cồng k ềnh trước đó 

 Phòng thí nghiệm Bell Cũ tại New Jersey, Hoa K  ỳ 

 Năm 1950, William Shockley đã đề xuất mô hình về SCR đầu tiên

 J.L.Moll  

 Logo và trụ sở  chính của t ập đoànGeneral Electric

 Năm 1955, có 3 dạng công tắc Si P-N-P- N đượ c sản xuất tại BTL, trong đó môhình b trở  thành bộ chỉnh lưu điều khiển Si (SCR) tại GE vào năm1957.

Phiên bản thương mại của SCR được phát triển vào năm 1958 bở i Frank W.

“Bill” Gutzwiller của tập đoàn G.E. 

 Frank W “Bill” Gutzwiller  

Đến năm 1966, cái tênThyristor bắt đầu đượ c sử dụng để gọi chung tất cả thiết

bị  bán dẫn bốn lớ p PNPN xen k ẽ Một số ở  châu Âu đã sử dụng tênThyristor

nhanh hơn những nơi khác, và rồi cái tên này cũng đượ c chấp nhận rộng rãi trêntoàn thế giớ i

K ể từ khi đượ c tạo ra, Thyristor đã nhanh chóng trở  thành thiết bị điều khiển

thống trị trong ngành điện, và ngày càngtrải qua nhữnng bước phát triển mớ i

 vớ i nhiều loại Thyristor khác nhau Một số loại thông dụng trên thị trườ ng hiện nay:

+ Thyristor điều khiển silic (SCR)

+Thyristor dẫn ngượ c (RCT)

+DIAC & SIDAC

+Triode xoay chiều (TRIAC)

+Thyristor cổng tắt (GTO)

+ Thyristor điều khiển bằng MOS (MCT)

+ … 

 M ột số  kí hiệu của các loại Thyristor   

1.3Các phương pháp sản xuất Thyristor phổ biến

+ Công nghệ hợ p kim loại (Alloying technology): k ết hợ p chip silicon vớ i bộ 

 bù nhiệt molypden bằng cách sử dụng hàn chân không vớ i hợp kim nhôm silicon V ấn đề của phương pháp là do thực hiệnở  nhiệt độ cao (trên 700 độ C),

-hệ số dãn nở  nhiệt của các lớ p Si-Mo khác nhau, tạo ra biến dạng và một điện

áp dư giữa các cực, ngoài ra ngườ i ta cần phải giảm độ dày lớ p silicon do sự hòatan tích cực của các lớ p bề mặt chip, từ đó dẫn đến việc dòng điệnở  cực dương

lan truyền không đều.

+ Công nghệ silicon nổi tự do (Free-floating silicon technology): Đặt một tấm

wafer bán dẫn vớ i Cathodevà Anodehóa kim loạiđược đặt giữa 2 cực bộ  bù

nhiệt của thiết bị  bán dẫn Ưu điểm: không có mối hàn, vì vậy không có biến

dạng giữa các mặt tiếp xúc và không có điện áp dư tạo ratrong quá trình hàn

tấm bán dẫn silicon vớ i bộ bù nhiệ  t do sự khác biệt giữa các hệ số giãn nở  tuyến

tính. Nhược điể  m: khả năng chịu nhiệtở  Cathodekém, chỉ hiệu quả cao đối vớ i

các phần tử  bán dẫn có đường kính trên 80 mm, vì vậ ychúng cần có diện tích phân phối lớn và phức tạp để cung cấp các đặc tính cần thiết.

+ Công nghệ thiêu kết (Sintering technology): cung cấp mối nối chắc chắnđặt

giữa lớ p silicon với đĩa molypden và bảo vệ nguyên tố khỏi sự hòa tan một phần

của các lớ p silicon bề mặt Công nghệ này giúp kết hợ p tất cả các ưu điểm của

các phương pháp trên cũng như thu hẹp nhược điểm của chúng: áp dụng cho các

phần tử lớn, quá trình xử lí cầnnhiêt độ thấp, độ dẫn điện, dẫn nhiệt và độ ổn

định cao, làm giảm điện áp cơ nhiệt dư và giảm biến dạng trên phần tử  bán dẫn.

=> Công nghệ thiêu kết đang dần trở  thành công nghệ chủ yếu sản xuất các linh

kiện Thyristor quan trọng hiện nay.

 Lớp thiêu kế t AlSi giúp ngăn chặn hòa tan một phần lớ  p phủ Siở   phía Anode 

[1][2][3]

2 C ấ u t ạ o c ủ a m ộ t thyristor:

Thông thường thì một thyristor sẽ bao gồm bốn lớp bán dẫn P- N ghép xen kẽ vàđượ c nối ra ba chân: 

 A –  kí hiệu anode: có nghĩa là cực dương 

K –  kí hiệucathode: có nghĩa là cực âm 

G –  gate: có nghĩa là cực khiển (cực cổng) 

2.1Kí hiệu của thyristor:

 V ề mặt kí hiệu thì thyristor sẽ khá giống vớ i một con diode vậy Dành cho

những bạn chưa biết thì một diode thông thườ ng sẽ cho phép dòng điện đi qua

từ A sang K khi điện thế tại A lớn hơn điện thế tại K, còn vớ i một Thyristor thì

 vẫn phải đảm bảo điều kiện đó và cần thêm một điều kiện nữa đó là phải kíchthích một dòng điều khiển đi vào chân G. 

2.2Các loại thyristor thông dụng trên thị trườ ng:

   Dựa vào khả năng bật và tắt của thyristor chúng sẽ được phân thành các

loại như sau: 

   Thyristor điều khiển silic hoặc SCR

   Thyristor cổng tắt hoặc GTO

   Thyristor cực phát tắt hoặc ETOs

   Thyristor dẫn điện ngượ c hoặc RCT

   Thyristor Triode hai chiều hoặc TRIAC

   Thyristor MOS tắt hoặc MTO

   Thyristor điều khiển pha hai chiều hoặc BCT

   Thyristor chuyển đổi nhanh hoặc SCR

   Bộ điều chỉnh silicon được kích hoạt bằng ánh sáng hoặc LASCR

   Thyristor kiểm soát FET hoặc FET-CTHs

   Thyristor tích hợ p cổng hoặc IGCT

2.3Các thôngsố k ỹ thuật của một thyristor:

Thông thường thì một thyristor sẽ có các thông số k ỹ thuật nhất định, khi chúng

ta sử dụng cần quan tâm đến các thông số này để có thể tiện cho việc chọn mua

và sử dụng Cụ thể chúng ta có các thông số như sau: 

Giá trị dòng trung bình cho phép chạ y qua thyristor Iv,tb:

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạ y qua thyristor với điều kiện nhiệt

độ của cấu trúc tinh thể  bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị nhiệt

độ cho phép Trong thực tế, dòng điện cho phép chạ y qua thyristor còn phụ  thuộc vào điều kiện làm mát và môi trường Có thể làm mát tự nhiên nhưng hiệu

suất không cao, vì thế với yêu cầu cao hơn người ta làm mát cưỡ ng bức

thyristor bằng quạt gió hoặc bằng nước, tuy nhiên điều này có thể khiến kíchthướ c thiết bị tăng đáng kể, dùng cho các thiết bị có công suất lớn Nói chung có

thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau: 

Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép tớ i một phần ba dòng cho phép Iv,tb. 

Làm mát cưỡ ng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng cho phép bằng hai phần ba

dòng cho phép Iv,tb. 

Làm mát cưỡ ng bức bằng nước: có thể sử dụng đến 100% dòng Iv,tb 

Điện áp ngược cho phép lớ n nhất (Ung,max):

Đây là giá trị điện áp ngượ c lớ n nhất cho phép đặt lên thyristor Trong các ứng

dụng phải đảm bảo rằng tại bất k ỳ thời điểm nào điện áp giữa anode và cathodeUak luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung,max Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ 

nhất định về điện áp, nghĩa là Ung,max phải đượ c chọn ít nhất là bằng 1,2 –  1,5

lần giá trị  biên độ lớ n nhất của điện áp trên sơ đồ.

Thờ i gian phục hồi tính chất khóa của thyristor τ(μs): 

Đây là thờ i gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anode và cathode của

thyristor sau khi dòng anode-cathode đã về bằng không trướ c khi lại có thể cóđiện áp Uak dương mà thyristor vẫn khóa τ là một thông số quan trọng của

thyristor Thông thườ ng phải đảm bảo thời gian dành cho quá trình khóa phải

bằng 1,5-2 lần τ. 

Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs): 

Thiristor là một phần tử  bán dẫn có điều khiển, có nghĩa là dù được phân cực thuận (Uak>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng

chạy qua Khi thyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớ p tiếp giápJ2 như hình vẽ.

Lớ p tiếp giáp J2 bị  phân cực ngược nên độ dày của nó mở  ra, tạo ra vùng khônggian nghèo điện tích, cản trở  dòng điện chạy qua Vùng không gian này có thể 

coi như một tụ diện có điện dung Cj2 Khi có điện áp biến thiên vớ i tốc độ lớ n,

dòng điện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển.

K ết quả là thyristor có thể mở  rakhi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G Tốc độ tăng điện áp là một thông số  phân biệt thyristor tần số thấp vớ i thyristor tần số cao.Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μscòn với các thyristor tần số cao dU/dt có thể lêntớ i 500-2000 V/μs. [4]

3 Nguyên lý hoạt độ ng c ủa thyristor như thế   nào?  

 3.1 Trườ  ng hợ  p 1: Cực G để hở  hay VG = OV

Đối với trườ ng hợp này thì transistor T1 không có phân cựcở  cực B nên T1 sẽ 

ngưng dẫn Khi T1 ngưng dẫn thì IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng vìthế mà ngưng

dẫn Như vậy đối với trườ ng hợp này Thyristor không dẫn điện được Và dòngđiện qua Thyristor là IA = 0, VAK ≈ VCC. 

C ực G để  hở  hay VG = OV

Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên ở  một mức đủ lớn là điện áp VAKtăng theo đến điện thế ngập VBO thì điện áp VAK giảm xuống như diode vàdòng điện IA sẽ tăng nhanh Lúc này thì Thyristor sẽ chuyển sang trạng thái dẫn

điện Dòng điệnứng với lúc điện áp VAK giảm nhanh còn đượ c gọi là dòngđiện duy trì IH (Holding) Sau đó đặc tính của Thyristor sẽ giống như một diode

nắn điện.

ngượ c lại cho T1 và IC2 = IB1 Nhờ  đó mà Thyristor sẽ tự duy trì đượ c trạng

thái dẫn mà không cần có dòng IG liên tục.

 IC1 = IB2; IC2 = IB1

Theo nguyên lý này thì dòng điện qua hai transistor sẽ đượ c khuếch đại lớ n dần.

Hai transistor lúc này sẽ chạ yở  trạng thái bão hòa Khi đó điện áp VAK giảmở  

một mức rất nhỏ (≈ 0,7V) và dòng điện qua Thyristor là: 

Thực nghiệm cho thấy khi dòng điện cung cấp cho cực G càng lớn thì áp ngập

sẽ càng nhỏ Điều đó có nghĩa là Thyristor càng dễ dẫn điện.

3.3Trườ ng hợp 3: Phân cực ngượ c Thyristor

Phân cực ngược Thyristor là nối A vào cực âm còn nối K vào cực dương của nguồn VCC Trườ ng hợp này sẽ cónhiều điểm giống như diode bị  phân cực

ngượ c Thyristor sẽ không dẫn điện được mà chỉ có dòng rất nhỏ đi qua

Thyristor sẽ bị đánh thủng khi tăng điện áp ngược lên đủ lớn Điện áp ngược đủ 

lớn để đánh thủng Thyristor là VBR Thông thường thì trị số VBR và VBO

bằng nhau và ngượ c dấu.

IG=0; IG2>IG1>IG

4 Đặ c tuy  ế n Volt  –   Ampere c ủ a Thyristor

Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo

ra ba tiếp giáp p-n J1, J2, J3 Thyristor có ba cực : anode A, cathode

K, cực điều khiển G Đặc tính Volt-Ampere của một Thyristor gồm hai

phần

Phần thứ nhất nằm trong góc phần thứ tư thứ I là đặc tính thuận

tương ứng với trường hợp điện áp UAK >0, phần thứ hai nằm trong

góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp

UAK <0 

4.1Trườ ng hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG =0)

Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch

cực điều khiển Thyristor sẽ cản trở dòng điệnứng với cả hai trường

hợp phân cực điện áp giữa Anode-Cathode Khi điện áp UAK  < 0 theo

cấu tạo bán dẫn của Thyristor hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực

ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống như haiđiôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược. 

Qua Thyristor sẽ chỉ  có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng

rò Khi UAK  tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ungmax sẽ xảy ra

hiện tượng Thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn

Giống như ở đoạn đặc tính ngược của diode quá trình bị đánh thủng

là quá trình không thể đảo ngược được, nghĩa là nếu có giảmđiện áp

UAK  xuống dưới mức Ungmax thì dòng điện cũng không giảm được về 

mức dòng rò Thyristor đã bị hỏng. 

Khi tăng điện áp Khi tăng điện áp Anode-Cathode theo chiều thuận,

UAK  > 0, lúc đầu cũng chỉ  có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi làdòng rò Điện trở tương đương mạch Anode-Cathode vẫn có giá trị 

rất lớn Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược

Cho đến khi UAK  tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uthmax,

sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch Anode-Cathode đột

ngột giảm, dòng điện chạy qua Thyristor sẽ chỉ  bị giới hạn bởi điện trở 

mạch ngoài Nếu khi đó dòng qua Thyristor có giá trị lớn hơn một

mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó Thyristor sẽ dẫn

dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặctính thuậnở 

điôt. 

 Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng có thể có giá

trị lớn nhưng điện áp rơi trên Anode-Cathode thì nhỏ và hầu như

không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện. 

4.2Trườ ng hợp có dòng điện vào cực điều khiển (IG > 0)

Nếucó dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và Cathode quátrình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm

hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uthmax Điều

này được mô tả trên hình bằng những đường nét đứt,ứng vớicác giá

trị dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3,… Nói chung nếu dòng điềukhiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK  nhỏ 

hơn. 

Tình hình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so

với trường hợp dòng điều khiển bằng 0. 

Thyristor có đặc tính giống như điôt, nghĩa là chỉ  cho phép dòng chạyqua theo một chiều, từ  Anode đến Cathodetvà cản trở dòng chạy theo

chiều ngược lại Tuy nhiên khác với diode, để Thyristor có thể dẫn

dòng ngoài điều kiện phải có điện áp UAK  > 0 còn cần thêm một số 

điều kiện khác Do đó, Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điềukhiển để phân biệt với diode là phần tử không điều khiển được

5 Cách đo và kiể m tra Thyristor

Cách đo và kiểm tra Thyristor

Có rất nhiều cách đo và kiểm tra thyristorkhác nhau Có thể nói việc kiểm tra

thyristor đóng một vai trò vô cùng quan trọng Nhất là đối vớ i những thiết bị đã

cũ, qua thờ i gian sử dụng dài thì việc kiểm tra thường xuyên đóng một vai trò

kiểm tra được là loại Thyristor này tốt  

6 Ứ  ng d ụ ng

Thyristor chủ yếu được sử dụng ở những ứng dụng yêu cầu dòng điện và điện

áp cao, và thường được sử dụng để điều khiển dòng điện xoay chiều AC

(Alternating current), vì sự thay đổi cực tính của dòng điện khiến thiết bị có 

thể đóng một cách tự động(được biết như là quá trình Zero Cross-quá trìnhđóng cắt đầu ra tại lân cận điểm 0 của điện áp hình sin) Thiết bị có thể đượccoi là hoạt động một cách đồng bộ,một khi thiết bị được kích hoạt, nó dẫndòng điện cùng pha với điện áp đặt qua cực âm của nó đến điểm nối cực dương 

mà không cần điều chế cổng nào nữa 

Thyristor có thể được tìm thấy trong nguồn cung cấp năng lượng cho các mạch 

kĩ thuật số, nơi chúng được sử dụng như một loại “Enhanced circuit breaker”

để ngăn chặn sự cố trong nguồn điện làm hỏng các bộ phận hạ nguồn

Thyristor được sử dụng trong chuyển tiếp với Zener diode gắn vào cổng của

nó, và nếu điện áp đầu ra của nguồn cung cấp tăng lên trên điện áp Zener,thyristor sẽ dẫn và đoản mạch đầu ra nguồn điện xuống đất Loại mạch bảo vệdòng điện này được biết đến là “crowbar circuit”, có những lợi thế hơn bộ ngắt 

mạch tiêu chuẩn hay cầu chì trong đó nó tạo ra một đường dẫn điện cao tiếpđất đối với điện áp cung cấp gây hại và có khả năng cho năng lượng dự trữtrong hệ thống đang được cấp điện 

*Mạch snubber: là mạch được sử dụng trong các thiết bị bán dẫn dung để bảo

vệ và cải tiến hiệu suất Chúng có nhiều mục đích khác nhau, cụ thể là giảm tiêuhao công suất trong mạng chuyển mạch điện tử công suất. 

Thyristor có thể được kích hoạt bằng Khi tăng điện áp ngoài trên cực dương vàcực 

âm của thyristor, sẽ có một dòng điện tích tương tự như dòng điện nạp của tụđiện