可控硅元件

可控硅元件

一、概述

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，簡稱晶閘管T。又由于晶閘管最初應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導電性，而且還具有比硅整流元件（谷稱“死硅”）更為可貴的可控性。它只有導通和關斷兩種狀態(tài)。
可控硅能以毫安級電流控制大功率的機電設備，如果超過此頻率，因元件開關損髦顯著增加，允許通過的平均電流相降低，此時，標稱電流應降級使用。
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；反應極快，在微秒級內開通、關斷；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；容易受干擾而誤導通。
可控硅從外形上分類主要有：螺栓形、平板形和平底形。

二、可控硅元件的結構和型號

1、結構
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結構。見圖1。它有三個PN結（J1、J2、J3），從J1結構的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體器件

圖1、可控硅結構示意圖和符號圖

2、型號

目前國產(chǎn)可控硅的型號有部頒新、舊標準兩種，新型號將逐步取代舊型號。

表一 KP型可控硅新舊標準主要特性參數(shù)對照表

參數(shù)	部頒新標準（JB1144-75）	部頒舊標準（JB1144-71）
序號	KP型右控硅整流元件	3CT系列可控硅整流元件
1	額定通態(tài)平均電流（IT（AV））	額定正向平均值電流（IF）
2	斷態(tài)重復峰值電壓（UDRM）	正向阻斷峰值電壓（UPF）
3	反向重復峰值電壓（URRM）	反向峰值電壓（VPR）
4	斷態(tài)重復平均電流（IDR（AV））	正向平均漏電流（I）
5	反向重復平均電流（IRR（AV））	反向平均漏電電流（IRL）
6	通態(tài)平均電壓（UT（AV））	最大正向平均電壓降（VF）
7	門極觸發(fā)電流（IGT）	控制極觸發(fā)電流（Ig）
8	門極觸發(fā)電壓（UGT）	控制極觸發(fā)電壓（Vg）
9	斷態(tài)電壓臨界上升率（du/dt）	極限正向電壓上升率(dV/dt）
10	維持電流（IH）	維持電流（IH）
11	額定結溫（TjM）	額定工作結溫（Tj）

KP型可控硅的電流電壓級別見表二
表二、KP型可控硅電流電壓級別

額定通態(tài)平均電流IT（AV）（A）	1，5，10，20，30，50，100，200，300，400，500，600，700，800，100
正反向重復峰值電壓UDRM， URRM（×100）（V）	1～10，12，14，16，18，20，22，24，26，，28，30
通態(tài)平均電壓 UT(AV)(V)	A	B	C	D	E	F	G	H	I
通態(tài)平均電壓 UT(AV)(V)	≤0.4	0.4～0.5	0.5～0.6	0.6～0.7	0.7～0.8	0.8～0.9	0.9～1.0	1.0～1.1	1.1～1,2

示例：
（1）KP5-10表示通態(tài)平均電流5安，正向重復峰值電壓1000伏的普通反向阻斷型可控硅元件。
（2）KP500-12D表示通態(tài)平均電流500安，正、反向重復峰值電壓1200伏，通態(tài)平均電壓0.7伏的業(yè)通反向阻斷型可控硅元件。
（3）3CT5/600表示通態(tài)平均電流5安，正、反向重復峰值電壓600伏的舊型號普通可控硅元件。

三、可控硅元件的工作原理及基本特性

1、工作原理
可控硅是P1N1P2N2四層三端結構元件，共有三個PN結，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2所示

圖2、可控硅等效圖解圖

當陽極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)的結果，兩個管子的電流劇增，可控硅使飽和導通。
由于BG1和BG2所構成的正反饋作用，所以一旦可控硅導通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用，沒有關斷功能，所以這種可控硅是不可關斷的。
由于可控硅只有導通和關斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關特性，這種特性需要一定的條件才能轉化，此條件見表三

表三、可控硅導通和關斷條件

狀態(tài)	條件	說明
從關斷到導通	1、陽極電位高于是陰極電位 2、控制極有足夠的正向電壓和電流	兩者缺一不可
維持導通	1、陽極電位高于陰極電位 2、陽極電流大于維持電流	兩者缺一不可
從導通到關斷	1、陽極電位低于陰極電位 2、陽極電流小于維持電流	任一條件即可

2、基本伏安特性

可控硅的基本伏安特性見圖3

圖3、可控硅基本伏安特性

（1）反向特性當控制極開路，陽極加上反向電壓時（見圖4），J2結正偏，但J1、J2結反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流，當電壓進一步提高到J1結的雪崩擊穿電壓后，接差J3結也擊穿，電流迅速增加，圖3的特性開始彎曲，如特性OR段所示，彎曲處的電壓URO叫“反向轉折電壓”。此時，可控硅會發(fā)生永久性反向擊穿。
（2）正向特性當控制極開路，陽極上加上正向電壓時（見圖5），J1、J3結正偏，但J2結反偏，這與普通PN結的反向特性相似，也只能流過很小電流，這叫正向阻斷狀態(tài)，當電壓增加，圖3的特性發(fā)生了彎曲，如特性OA段所示，彎曲處的是UBO叫：正向轉折電壓

圖4、陽極加反向電壓

圖5、陽極加正向電壓

由于電壓升高到J2結的雪崩擊穿電壓后，J2結發(fā)生雪崩倍增效應，在結區(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結注入N1區(qū)的空穴復合，同樣，進入P2區(qū)的空穴與由N2區(qū)通過J3結注入P2區(qū)的電子復合，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，結果使P2區(qū)的電位升高，N1區(qū)的電位下降，J2結變成正偏，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、J3三個結均處于正偏，可控硅便進入正向導電狀態(tài)---通態(tài)，此時，它的特性與普通的PN結正向特性相似，見圖3中的BC段
3、觸發(fā)導通
在控制極G上加入正向電壓時（見圖6）因J3正偏，P2區(qū)的空穴時入N2區(qū)，N2區(qū)的電子進入P2區(qū)，形成觸發(fā)電流IGT。在可控硅的內部正反饋作用（見圖2）的基礎上，加上IGT的作用，使可控硅提前導通，導致圖3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。

圖6、陽極和控制極均加正向電壓

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