사이리스터: 종류, 동작, 실리콘 제어 정류기(SCR)의 힘

사이리스터는 번갈아 가며 적층된 N-P-N-P 층으로 구성된 양극성 전도 반도체 소자 패밀리입니다. 이 패밀리에는 실리콘 제어 정류기(SCR), 트라이액(TRIAC), 게이트 턴오프 스위치(GTO), 실리콘 제어 스위치(SCS), AC 다이오드(DIAC), 단일 접합 트랜지스터(UJT), 프로그래머블 단일 접합 트랜지스터(PUT)가 포함됩니다. 이 글은 SCR에 초점을 맞추며 GTO를 간략히 언급합니다.

1950년 쇼클리가 4층 다이오드 사이리스터를 제안했습니다. 제너럴 일렉트릭이 설계를 실현했으며, SCR은 이후 몇 와트에서 수 메가와트까지 전력 레벨을 처리하도록 진화했습니다. 가장 작은 유닛—소신호 트랜지스터처럼 패키징된—은 약 100VAC에서 수백 밀리암페어를 스위칭합니다. 가장 큰 상용 소자는 직경 172mm로 10,000V에서 5,600A를 처리할 수 있습니다. 고전력 SCR은 수 인치 크기의 웨이퍼에 제작될 수 있습니다.

실리콘 제어 정류기(SCR)

SCR은 게이트 단자를 통합한 4층 다이오드입니다. 양의 게이트 펄스가 가해지면, 내부 NPN-PNP 트랜지스터 쌍이 전도 상태로 트리거됩니다. 두 트랜지스터 간의 양의 피드백은 게이트 펄스가 제거된 후에도 온 상태를 유지시킵니다. 소자는 애노드가 양으로 바이어스된 동안 계속 전도합니다. DC에서는 전도가 영구적이며, AC 또는 펄세이팅 DC에서는 애노드 전압이 0으로 떨어질 때 정지합니다—이를 교류점이라 합니다.

도핑 구조는 아래 그림에 나와 있습니다: 캐소드(N⁺)와 애노드(P⁺)는 고농도 도핑된 반면, 중간 N⁻와 P 층은 저농도 도핑되어 트랜지스터 베이스를 형성합니다. 고전력 SCR에서 이 구조는 전체 웨이퍼에 걸쳐 있을 수 있습니다.

SCR과 GTO 기호가 다이어그램에 표시됨: 기본 다이오드 기호는 단방향 전도를 나타내며, 게이트 리드는 제어 능력을 표시. GTO 기호는 양방향 화살표를 가지며, 음의 게이트 펄스로 소자를 끌 수 있음을 의미.

실리콘 외에도 탄화 규소(SiC) SCR이 개발 중입니다. SiC는 다이아몬드에 이어 두 번째로 우수한 열전도율을 제공하여, 더 작은 폼 팩터나 고온에서 더 높은 전력 처리를 가능하게 합니다.

핵심 요약

• SCR은 가장 일반적인 4층 사이리스터입니다.
• 양의 게이트 펄스가 전도를 트리거하며, 애노드 전압이 0으로 떨어질 때까지 지속됩니다.
• SCR은 지속적인 전도가 필요한 AC 또는 펄세이팅 DC 응용에서 뛰어납니다.
• GTO는 음의 게이트 펄스로 차단할 수 있습니다.
• SCR은 최대 5.6kA와 10kV를 관리하여 메가와트급 전력을 처리합니다.

관련 자료

• 사이리스터 워크시트