可控硅的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

可控硅全稱“可控硅整流元件”(Silicon Controlled Rectifier)，簡寫為SCR，別名晶體閘流管(Thyristor)，是一種具有三個PN結(jié)、四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件?？煽毓梵w積小、結(jié)構(gòu)簡單、功能強，可起到變頻、整流、逆變、無觸點開關(guān)等多種作用，因此現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中，如調(diào)光燈、攝像機、無線電遙控、組合音響等。

其原理圖符號如下圖所示：

從可控硅的電路符號可以看到，它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ姷钠骷?，只是多了一個控制極G，正是它使得可控硅具有與二極管完全不同的工作特性。可控硅是可以處理耐高壓、大電流的大功率器件，隨著設(shè)計技術(shù)和制造技術(shù)的進步，越來越大容量化 。

可控硅的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

三個PN結(jié)(J1、J2、J3)組成4層P1-N1-P2-N2結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件對外有三個電極，由最外層P型半導(dǎo)體材料引出的電極作為陽極A，由中間的P型半導(dǎo)體材料引出的電極稱為控制極G，由最外層的N型半導(dǎo)體材料引出的電極稱為陰極K，它可以等效成如圖所示的兩只三極管電路。

下面我們來看看可控硅的工作原理：

如下圖所示，初始狀態(tài)下，電壓VAK施加到可控硅的A、K兩個端，此時三極管Q1與Q2都處于截止?fàn)顟B(tài)，兩者地盤互不侵犯。

此時VAK電壓全部施加到A、K兩極之間，這個允許施加的最大電壓VAK即斷態(tài)重復(fù)峰值電壓VDRM(Peak Repetitive Off-State Voltage)，相應(yīng)的有斷態(tài)重復(fù)峰值電流IDRM(Peak Repetitive Off-State Current)

如下圖所示，電壓VGK施加到G、K兩極后，Q2的發(fā)射結(jié)因正向偏置而使其導(dǎo)通，從而產(chǎn)生了基極電流IB2，此時Q2尚處于截止?fàn)顟B(tài)，可控硅陽極電流IA為0，Q1的基極電流IB1也為0，電阻R2上也沒有壓降，因此Q2的集電極-發(fā)射電壓VCE2為VAK，這個電壓值通常遠大于VBE2，即使是在測試數(shù)據(jù)手冊中的參數(shù)時，VAK也至少有6V，實際應(yīng)用時VAK會有幾百伏，因此，三極管Q2的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，開始處于放大狀態(tài)。

只有在G、K加上正向電壓后，才可以觸發(fā)可控硅的導(dǎo)通，這個觸發(fā)電壓的最小值稱為門極觸發(fā)電壓VGT(Gate Trigger Voltage)，這個值就是一個PN結(jié)的結(jié)電壓(不是電池電壓VGK)，此時流過控制極的電流稱為門極觸發(fā)電流IGT(Gate Trigger Voltage)

剛剛進入放大狀態(tài)(微導(dǎo)通)的三極管Q2將基極電流IB2進行放大，相應(yīng)集電極的電流為IC2，其值為(IB2×β2)，盡管放大了β2倍，但此時的IC2還比較小，因此IA與IB1也比較小(但是已經(jīng)不為0了)，電阻R2中也有微小電流，可以看成一個完整的電流回路，但此時的Q2的集電極-發(fā)射極壓降仍然很大。

與此同時，三極管Q1的發(fā)射極一直是VAK(最高電壓)，集電極一直是較低的電壓(VBE2)，只要基極設(shè)置合適的電壓，就可以進入放大狀態(tài)，所以一直臥薪嘗膽、蟄伏待機。Q2集電極電流IC2的出現(xiàn)，使得三極管Q1有機可乘。

處于微導(dǎo)通狀態(tài)的三極管Q2形成的回路使三極管Q1基極所欠缺的電壓一步到位，時機終于成熟了，三極管Q1也因此剛剛進入放大狀態(tài)(微導(dǎo)通)!由于IB1與IC2是相同的，IB1經(jīng)Q1放大后，其集電極電流IC1=(IB2×β2×β1)，這個電流值又比IC2增大了β1倍。

三極管Q1放大后的集電極電流IC1無處可逃，只好往Q2的基極去鉆(不會跑到電阻R1這邊來，因為電壓VGK肯定比VBE2要高，水往低處走)，IC1就變成了IB2，三極管Q2的基極電流IB2被替換成了(IB2×β2×β1)，比原來增加了(β2×β1)倍。

所謂人多好辦事，這個更大的基極電流IB2第二次被三極管Q2放大，此時的IC2就是(IB2×β2×β1×β2)，然后又重復(fù)被兩個三極管交互進行正反饋放大，周而復(fù)始。

在這個過程中，三極管Q2的集電極-發(fā)射極壓降越來越小，陽極電流IA的電流也越來越大，最終Q2飽和了(Q1也不甘示弱，節(jié)奏妥妥地跟上)，最后就成為下圖所示的：

當(dāng)Q1與Q2充分導(dǎo)通后(可控硅導(dǎo)通)，A、K兩極之間的壓降很小，其實就是Q1發(fā)射結(jié)電壓VBE1 + Q2集電極-發(fā)射極飽和電壓VCE2，這個電壓稱為正向通態(tài)電壓VTM(Forward On-State Voltage)

可以看到，VAK的電壓值最終全部加到電阻R2上面，整個過程就是由電壓VGK引發(fā)的“血案”，原來R2電阻上沒有任何壓降，VGK電壓觸發(fā)可控硅后，VAK電壓就全部加在電阻R2上面了。

可控硅完全導(dǎo)通后，流過A、K兩極的電流即為通態(tài)電流IT(On-State Current)，實際應(yīng)用時，VAK通常是交流電壓(如220VAC)，因此常將此參數(shù)標(biāo)記為通態(tài)平均電流IT(RMS)，指可控硅元件可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流(在一個周期內(nèi))的平均值，而此時流過G、K兩極的電流即為門極電流IG(Gate Current)，這個門極控制電流不應(yīng)超過門極最大峰值電流IGM(Forward Peak Gate Voltage)

當(dāng)VAK是交流電源的負半周時，可控硅因為A、K兩極加反向電壓而阻斷，此時允許施加的最大電壓稱為反向重復(fù)峰值電壓VRRM(Peak Repetitive Reverse Blocking Voltage)，由于可控硅阻斷時的電阻不是無窮大，此時的電流稱之為反向重復(fù)峰值電流IRRM(Peak Repetitive Reverse Blocking Current)。

這兩個值與之前介紹的IDRM、VDRM是一樣的，只不過IDRM、VDRM是在控制G極斷開、可控硅阻斷狀態(tài)下測量的，而IRRM、VRRM是在可控硅A、K極接反向電壓下測量的。

如果在可控硅陽極A與陰極K間加上反向電壓時，開始可控硅處于反向阻斷狀態(tài)，只有很小的反向漏電流流過。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值時，反向漏電流急劇增大，這時，所對應(yīng)的電壓稱為反向不重復(fù)峰值電壓VRSM(Peak Non-Repetitive Surge Voltage)。

上面我們只是把R2(與R1)作為象征性的限流電阻，其實R2完全可以是負載，如電燈泡，如下圖所示：

當(dāng)G、K兩極沒有加正向電壓時，A、K之間相當(dāng)于是斷開的，燈泡不亮

當(dāng)G、K加上正向電壓后，A、K之間相當(dāng)于短路，所以VAK電壓全部加在電燈泡上使其發(fā)光。

由地盤之爭引發(fā)的“血案”就此完結(jié)!

但是還有下文哦!

如果在A、K之間充分導(dǎo)通后，我們拿掉電壓VGK企圖讓燈泡熄滅，如下所示：

很遺憾，沒有成功，燈泡還是一往無前地發(fā)射出嘲笑我們的刺眼光芒，因為這個時候VGK已經(jīng)沒有利用價值了，盡管沒有VGK，可控硅內(nèi)部還是會有三極管電流正反饋維持可控硅的繼續(xù)導(dǎo)通。

在門極G開路時，要保持可控硅能處于導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小正向電流，稱為維持電流IH(Holding current)。還有一個擎住電流IL(Latch current)，是可控硅剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除G極觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對于同一可控硅，通常IL約為IH的數(shù)倍。

導(dǎo)演，我沒看懂這兩者有什么區(qū)別!其實這與數(shù)字電路中的電平是相似的，如下圖所示：

如果一個低電平要讓另一方認為是高電平，那必須要超過VOH(上圖的4.5V)，一旦這個低電平變成了高電平，繼續(xù)讓另一方認為是高電平，只需要不低于VIH(上圖的3.5V)即可，維持這個高電平的代價顯示更低一些。

那么有什么辦法讓電燈泡滅呢?

有一種辦法很明顯，就是使電流IA下降到不足以維持內(nèi)部正反饋過程，可控硅自然就阻斷了，燈泡也會隨之熄滅，也就是把VAK電壓降下來。這個地球人都知道，你VAK雖然是大BOSS，但讓我為你開路總得留下點買路錢吧!只要降低電壓VAK讓IA小于IH，那么可控硅就斷開了(或在A、K兩極加反向電壓，其實這與降低電壓VAK是一個道理)。

但問題是，大多數(shù)時候VAK的電壓不會那么容易(主動)下降，我?guī)椭鳟?dāng)?shù)煤煤玫模瑧{什么讓我下臺?老子有的是錢!

狡兔死，走狗烹，電壓VGK深諳其中道理，也早早從“門極關(guān)斷可控硅”手中重金買下簡單的辦法讓燈泡熄滅。你丫的，我給你立下汗馬功勞不讓我當(dāng)幫主，只有拆你的臺了。如下圖所示：

將電壓VGK反向接入G、K兩極后，想讓三極管Q2截止繼而讓可控硅進入阻斷狀態(tài)，但還是無法成功，因為可控硅導(dǎo)通后處于深度飽和狀態(tài)，就算加反向電壓也是無效的。

如果反向電壓增大到某一數(shù)值時，反向漏電流急劇增大，此時所對應(yīng)的電壓稱為反向門極峰值電壓IGM(Reverse Peak Gate Voltage)，使用時不應(yīng)超過此值。

上面我們討論的是常用的P型門極、陰極端受控的可控硅，還有一種不常用的N型門極、陽極端受控的可控硅，其原理圖符號如下圖所示，兩者的原理是完全一樣的，讀者可自行分析一下。

下圖的典型可控硅應(yīng)用電路，可以用來調(diào)節(jié)燈泡的亮度。電路輸入的220V交流電壓經(jīng)橋式整流后得到脈沖直流電壓VP，此時可控硅VT為阻斷狀態(tài)，電路是不導(dǎo)通的;

隨著脈沖直流電壓VP通過可調(diào)電阻RP1、R1對電容C1進行充電，當(dāng)電容C1上的電壓足以觸發(fā)可控硅VT時，可控硅導(dǎo)通后負載回路暢通，從而使電燈泡點亮，如下圖所示：

調(diào)節(jié)可調(diào)電位器RP1即可控制電容C1的充電速度(充電常數(shù)越大充電速度越慢)，這樣施加在燈泡上的交流電壓的平均值就可以隨之調(diào)整，從而調(diào)節(jié)電燈泡的高度。