可控硅的結(jié)構(gòu)及工作原理

可控硅的結(jié)構(gòu)及工作原理

　一種以硅單晶為基本材料的P1N1P2N2四層三端器件，創(chuàng)制于1957年，由于它特性類似于真空閘流管，所以國際上通稱為硅晶體閘流管，簡稱可控硅T。又由于可控硅最初應(yīng)用于可控整流方面所以又稱為硅可控整流元件，簡稱為可控硅SCR。
　　在性能上，可控硅不僅具有單向?qū)щ娦?，而且還具有比硅整流元件（俗稱“死硅”）更為可貴的可控性。它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。
　　可控硅能以毫安級電流控制大功率的機電設(shè)備，如果超過此頻率，因元件開關(guān)損耗顯著增加，允許通過的平均電流相降低，此時，標(biāo)稱電流應(yīng)降級使用。
　　可控硅的優(yōu)點很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達幾十萬倍；反應(yīng)極快，在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點運行，無火花、無噪音；效率高，成本低等等。
　　可控硅的弱點：靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差；容易受干擾而誤導(dǎo)通。
　　可控硅從外形上分類主要有：螺栓形、平板形和平底形。
1、可控硅元件的結(jié)構(gòu)
　　不管可控硅的外形如何，它們的管芯都是由P型硅和N型硅組成的四層P1N1P2N2結(jié)構(gòu)。見圖1。它有三個PN結(jié)（J1、J2、J3），從J1結(jié)構(gòu)的P1層引出陽極A，從N2層引出陰級K，從P2層引出控制極G，所以它是一種四層三端的半導(dǎo)體器件。

2、工作原理
　　可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個PN結(jié)，分析原理時，可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成，其等效圖解如圖1所示

　　當(dāng)陽極A加上正向電壓時，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時，如果從控制極G輸入一個正向觸發(fā)信號，BG2便有基流ib2流過，經(jīng)BG2放大，其集電極電流ic2=β2ib2。因為BG2的集電極直接與BG1的基極相連，所以ib1=ic2。此時，電流ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流ic1=β1ib1=β1β2ib2。這個電流又流回到BG2的基極，表成正反饋，使ib2不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。
　　由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋作用，所以一旦可控硅導(dǎo)通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。
　　由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表1

可控硅的基本伏安特性見圖2

圖2 可控硅基本伏安特性
（1）反向特性
　　當(dāng)控制極開路，陽極加上反向電壓時（見圖3），J2結(jié)正偏，但J1、J2結(jié)反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流，當(dāng)電壓進一步提高到J1結(jié)的雪崩擊穿電壓后，接差J3結(jié)也擊穿，電流迅速增加，圖3的特性開始彎曲，如特性O(shè)R段所示，彎曲處的電壓URO叫“反向轉(zhuǎn)折電壓”。此時，可控硅會發(fā)生永久性反向

（2）正向特性
　　當(dāng)控制極開路，陽極上加上正向電壓時（見圖4），J1、J3結(jié)正偏，但J2結(jié)反偏，這與普通PN結(jié)的反向特性相似，也只能流過很小電流，這叫正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)電壓增加，圖3的特性發(fā)生了彎曲，如特性O(shè)A段所示，彎曲處的是UBO叫：正向轉(zhuǎn)折電壓

圖4 陽極加正向電壓
　　由于電壓升高到J2結(jié)的雪崩擊穿電壓后，J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴，電子時入N1區(qū)，空穴時入P2區(qū)。進入N1區(qū)的電子與由P1區(qū)通過J1結(jié)注入N1區(qū)的空穴復(fù)合，同樣，進入P2區(qū)的空穴與由N2區(qū)通過J3結(jié)注入P2區(qū)的電子復(fù)合，雪崩擊穿，進入N1區(qū)的電子與進入P2區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉，這樣，在N1區(qū)就有電子積累，在P2區(qū)就有空穴積累，結(jié)果使P2區(qū)的電位升高，N1區(qū)的電位下降，J2結(jié)變成正偏，只要電流稍增加，電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負阻特性，見圖3的虛線AB段。
這時J1、J2、J3三個結(jié)均處于正偏，可控硅便進入正向?qū)щ姞顟B(tài)---通態(tài)，此時，它的特性與普通的PN結(jié)正向特性相似，見圖2中的BC段
2、觸發(fā)導(dǎo)通

圖5 陽極和控制極均加正向電壓
圖1、可控硅結(jié)構(gòu)示意圖和符號圖
3、可控硅在電路中的主要用途是什么?
　　普通可控硅最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二極管整流電路屬于不可控整流電路。如果把二極管換成可控硅，就可以構(gòu)成可控整流電路。現(xiàn)在我畫一個最簡單的單相半波可控整流電路〔圖4(a)〕。在正弦交流電壓U2的正半周期間，如果VS的控制極沒有輸入觸發(fā)脈沖Ug，VS仍然不能導(dǎo)通，只有在U2處于正半周，在控制極外加觸發(fā)脈沖Ug時，可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通。現(xiàn)在，畫出它的波形圖〔圖4(c)及(d)〕，可以看到，只有在觸發(fā)脈沖Ug到來時，負載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。Ug到來得早，可控硅導(dǎo)通的時間就早；Ug到來得晚，可控硅導(dǎo)通的時間就晚。通過改變控制極上觸發(fā)脈沖Ug到來的時間，就可以調(diào)節(jié)負載上輸出電壓的平均值UL(陰影部分的面積大小)。在電工技術(shù)中，常把交流電的半個周期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個正半周，從零值開始到觸發(fā)脈沖到來瞬間所經(jīng)歷的電角度稱為控制角α；在每個正半周內(nèi)可控硅導(dǎo)通的電角度叫導(dǎo)通角θ。很明顯，α和θ都是用來表示可控硅在承受正向電壓的半個周期的導(dǎo)通或阻斷范圍的。通過改變控制角α或?qū)ń铅?，改變負載上脈沖直流電壓的平均值UL，實現(xiàn)了可控整流。
4、在橋式整流電路中，把二極管都換成可控硅是不是就成了可控整流電路了呢?
　　在橋式整流電路中，只需要把兩個二極管換成可控硅就能構(gòu)成全波可控整流電路了。現(xiàn)在畫出電路圖和波形圖(圖5)，就能看明白了

5、可控硅控制極所需的觸發(fā)脈沖是怎么產(chǎn)生的呢?
可控硅觸發(fā)電路的形式很多，常用的有阻容移相橋觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體三極管觸發(fā)電路、利用小可控硅觸發(fā)大可控硅的觸發(fā)電路，等等。
6、什么是單結(jié)晶體管?它有什么特殊性能呢?
　　單結(jié)晶體管又叫雙基極二極管，是由一個PN結(jié)和三個電極構(gòu)成的半導(dǎo)體器件(圖6)。我們先畫出它的結(jié)構(gòu)示意圖〔圖7(a)〕。在一塊N型硅片兩端，制作兩個電極，分別叫做第一基極B1和第二基極B2；硅片的另一側(cè)靠近B2處制作了一個PN結(jié)，相當(dāng)于一只二極管，在P區(qū)引出的電極叫發(fā)射極E。為了分析方便，可以把B1、B2之間的N型區(qū)域等效為一個純電阻RBB，稱為基區(qū)電阻，并可看作是兩個電阻RB2、RB1的串聯(lián)〔圖7(b)〕。值得注意的是RB1的阻值會隨發(fā)射極電流IE的變化而改變，具有可變電阻的特性。如果在兩個基極B2、B1之間加上一個直流電壓UBB，則A點的電壓UA為：若發(fā)射極電壓UEUABR>
7、怎樣利用單結(jié)晶體管組成可控硅觸發(fā)電路呢?
　　我們單獨畫出單結(jié)晶體管張弛振蕩器的電路(圖8)。它是由單結(jié)晶體管和RC充放電電路組成的。合上電源開關(guān)S后，電源UBB經(jīng)電位器RP向電容器C充電，電容器上的電壓UC按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)UC上升到單結(jié)晶體管的峰點電壓UP時，單結(jié)晶體管突然導(dǎo)通，基區(qū)電阻RB1急劇減小，電容器C通過PN結(jié)向電阻R1迅速放電，使R1兩端電壓Ug發(fā)生一個正跳變，形成陡峭的脈沖前沿〔圖8(b)〕。隨著電容器C的放電，UE按指數(shù)規(guī)律下降，直到低于谷點電壓UV時單結(jié)晶體管截止。這樣，在R1兩端輸出的是尖頂觸發(fā)脈沖。此時，電源UBB又開始給電容器C充電，進入第二個充放電過程。這樣周而復(fù)始，電路中進行著周期性的振蕩。調(diào)節(jié)RP可以改變振蕩周期
8、在可控整流電路的波形圖中，發(fā)現(xiàn)可控硅承受正向電壓的每半個周期內(nèi)，發(fā)出第一個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，也就是控制角α和導(dǎo)通角θ都相等，那么，單結(jié)晶體管張弛振蕩器怎樣才能與交流電源準(zhǔn)確地配合以實現(xiàn)有效的控制呢?
　　為了實現(xiàn)整流電路輸出電壓“可控”，必須使可控硅承受正向電壓的每半個周期內(nèi)，觸發(fā)電路發(fā)出第一個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，這種相互配合的工作方式，稱為觸發(fā)脈沖與電源同步。 怎樣才能做到同步呢?大家再看調(diào)壓器的電路圖(圖1)。請注意，在這里單結(jié)晶體管張弛振蕩器的電源是取自橋式整流電路輸出的全波脈沖直流電壓。在可控硅沒有導(dǎo)通時，張弛振蕩器的電容器C被電源充電，UC按指數(shù)規(guī)律上升到峰點電壓UP時，單結(jié)晶體管VT導(dǎo)通，在VS導(dǎo)通期間，負載RL上有交流電壓和電流，與此同時，導(dǎo)通的VS兩端電壓降很小，迫使張弛振蕩器停止工作。當(dāng)交流電壓過零瞬間，可控硅VS被迫關(guān)斷，張弛振蕩器得電，又開始給電容器C充電，重復(fù)以上過程。這樣，每次交流電壓過零后，張弛振蕩器發(fā)出第一個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，這個時刻取決于RP的阻值和C的電容量。調(diào)節(jié)RP的阻值，就可以改變電容器C的充電時間，也就改變了第一個Ug發(fā)出的時刻，相應(yīng)地改變了可控硅的控制角，使負載RL上輸出電壓的平均值發(fā)生變化，達到調(diào)壓的目的。
雙向可控硅的T1和T2不能互換。否則會損壞管子和相關(guān)的控制電路。