可控硅论文

1 可控硅论文

半导体硅材料自从60年代被广泛应用于各类电子元器件以来，其用量平均大约以每年12～16%的速度增长。半导体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为了当代电子工业中应用最多的半导体材料。六十年代末七十年代初，在全国曾掀起过一个“可控硅”热。这个热潮持续甚久，影响很大，因而国内至今仍有人认为功率半导体的主体就是可控硅。七十年代末，可控硅发展成为一个大家族并冠以一个标准化的名称“晶闸管”。由于以开关技术调节功率，所以在器件上的损耗很小，因此被誉为节能的王牌。其应用更是遍及各个领域。

六七十年代，各种类型的晶闸管有很大的发展，其服务对象是以工业应用为主，包括电力系统、机车牵引等。到了八九十年代，由于功率MOSFET的兴起，使电力电子步入了一个新的领域，为近代蓬勃发展的4C产业：即communication、computer、consumer、car（通信、计算机、消费电子、汽车）提供了新的活力。二十一世纪前后，功率半导体器件的发展进入了第三阶段，即集成电路结合愈来愈紧密的阶段。

从目前电子工业的发展来看，尽管有各种新型的半导体材料不断出现，但硅仍是集成电路产业的基础，半导体材料中98％是硅。半导体器件的95%以上是用硅材料制作的，90%以上的大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)、甚大规模集成电路(ULSI)都是制作在高纯优质的硅抛光片和外延片上的。硅片被称作集成电路的核心材料，硅材料产业的发展和集成电路的发展紧密相关。

半导体硅材料分为多晶硅、单晶硅、硅外延片以及非晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅等。晶闸管又叫可控硅。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管（就是人们常说的普通晶闸管）、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。

当功率半导体器件不断发展时，前一阶段的主导产品并未退出历史舞台，晶闸管至今仍是一种重要产品。

可控硅又叫晶闸管，是半导体晶体闸流管的简称，它是一种用小电流控制大电流开关型半导体器件, 常用的有普通可控硅（又称单向可控硅）和双向可控硅两大类，由于具有体积小、质量轻、效率高、寿命长、耐振、无噪声、使用方便等优点。因此在很短的时间内引起了国内、外,工、农业生产各部门极大的重视, 被广泛应用到各种生产设备和家用电器上。按其工作原理大致可以分为四类。1.整流:把交流电变为大、小可调的直流电。2.逆变:把直 2 流电变为一定频率的交流电。3.直流开关:作直流回路开关或直流调压。4.交流开关:作交流回路开关或交流调压。按其服务对象来分,可用于工业、农业、国防、交通、运输、矿山、冶金、轻工、化工等部门。

在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。

下面就单向可控硅和三端双向可控硅这两类可控硅分别做个简单介绍。

1.1单向可控硅工作原理

首先让我们来认识一下单向可控硅。

它的内部结构示意如图1（a）所示。由图1（a）可见，单向可控硅由四层半导体P1N1P2N2组成，中间有3个PN结；J1,J2和J3结，由P3区引出阳极A，N2区引出阴极K，中间的P2区引出控制极（或称为门极）G。单向可控硅的电路符号如图1（b）所示。

图1 单向可控硅示意图和电路符号

（a）结构示意图；（b）电路符号 3 为了理解单向可控硅的工资原理，可以把单向可控硅等效地看成一个PNP型晶体管T1与一个NPN型晶体管T2组合而成，中间的P2层和N1层半导体为两个晶体管共用，阳极A相当于T1的发射极，阴极K相当于T2的发射极，如图2所示。

理解单向可控硅工作原理的关键是了解控制极的作用。

（1） 控制极不加电压或加反向电压

当控制极悬空或者控制极与阴极之间加反向电压，即UGK＜0时，必有IG=0.如果在阳极与阴极之间加反向电压，即UAK＜0,由于T1,T2的发射结J,J2均处于反向偏置，T1,T2处于截止状态，此时流过单向可控硅中的电流只是J1,J3结的反向饱和电流，IA≈0,单向可控硅处以阻断状态；如果在阳极与阴极之间加正向电压，即UAK＞0,J2结处于反偏状态，由于IG=0,T2必处于截止状态，此时单向可控硅中的电流只是J2结的反向饱和电流，IA≈0,单向可控硅仍处于阻断状态。所以，当控制极不加电压或加反向电压时，IG=0,单向可控硅处于阻断状态，具有正、反阻断能力。

图2 单向可控硅的工作原理

（a）等效结构；（b）等效电路

（2）控制极加正向电压

当控制极与阴极之间加正向电压，即UGK＞0时，T2的发射结J3处于正向偏置， IG≠0。如果在阳极与阴极之间加反向电压，即UAK＜0,由于T1的发射结J1处于反向偏置，T1处于截止状态，所以单向可控硅处于阻断状态，IA≈0；如果阳极与阴极之间加正向电压，即 4 UAK＞0,由于T1,T2的发射结J1,J3处于正向偏置，集电结J2处于反向偏置，T1,T2将处于放大状态。IG经T2放大后，T2的集电极电流I2C=β2IG, T2的集电极电流又是T1的基极电流，经T1 放大，T1集电极电流I1C=β1β2IG,此电流又流入T2 的基极进行放大，如此循环，就形成了很强的正反馈，使T1,T2 很快进入饱和状态，单向可控硅处于导通状态。单向可控硅导通后，阳极与阴极之间电压UAK的数值很小，外加电源电压几乎全部降在负载上。

（3）单向可控硅的关断

由以上分析可见，当单向可控硅导通后，T2的基极始终有T1 的集电极电流I1C流过，而且I1C的数值要比开始外加的IG大得多，所以即使控制极电压消失，IG=0，仍可依靠管子本身的正反馈作用维持导通。所以，一旦单向可控硅导通后，控制极将失去控制作用。单向可控硅导通后，如果想使它重新关断，必须把阳极电流IA减小到使其不能维持正反馈，为此，可将阳极断开或在阳极与阴极之间加反向电压。

综上所述：在单向可控硅阳极与阴极间加正向电压的条件下，如果某时刻在控制极与阴极之间加入正向电压，单向可控硅将由阻断状态转为导通状态，称之为触发导通。单向可控硅导通后，控制极将失去控制作用，如果要重新关断单向可控硅，必须使其阳极电流小于一定的值IH(称为维持电流)或使阳极与阴极之间电压UAK减小到零。

2.1单向可控硅的主要参数

为了正确地使用单向可控硅，不仅要了解它的工作原理，还需要掌握它的主要参数。

（1）正向重复峰值电压UFRM

在控制极断开和单向可控硅处于正向阻断的条件下，单向可控硅的结温为额定值时，允许美妙50次，每次持续时间不大于10 ms可重复加在单向可控硅上的正向峰值电压，称为正向重复峰值电压，用UFRM表示，一般规定次电压值为正向转折电压的80%。

（2）反向重复峰值电压URRM

在与正向重复峰值电压相同的条件下，可以重复加在单向可控硅上的反向峰值电压称为反向重复峰值电压，用URRM表示，一般为反向转折电压的80%。 5 （3）额定电压UN

通常把UFRM与URRM中较小的一个电压值作为单向可控硅的额定电压。这是考虑到实际中加在管子上的电影一般是正、负对称电压，故以数值小的电压为准。但由于瞬时过电压也会损坏管子，故选择管子时，为了安全起见，要求管子的额定电压大于实际工作峰值电压的2～3倍。

（4）额定正向平均电流IF

在环境温度为40℃和规定的散热条件下，允许通过单向可控硅中的工频正弦半波电流的平均值，称为额定正向平均电流IF。通常所说的多少安的单向可控硅就是指这个电流值。IF大小与周围环境温度，散热条件，元件导通角的大小等因素有关。单向可控硅的额定电流用一定条件下的工频正弦半波平均电流来标定，这是由于整流输出端所接负载常需要用平均电流衡量其性能。但是从单向可控硅发热的角度来看，无论流过单向可控硅中的电流波形如何，单向可控硅的导通角是多大只要设计的电流有效值等于额定电流IF的有效值，那么单向可控硅的发热便是等效的和允许的。

（5）维持电流IH

在室温和控制极短路的条件下，能够维持单向可控硅继续导通所需的最小阳极电流称为维持电流IH。如果单向可控硅的阳极电流小于此值时，单向可控硅将由导通状态转为阻断状态。

(6)控制极触发电压UGK和触发电流IG

在室温，单向可控硅阳极与阴极间电压为6V的条件下，使单向可控硅从阻断状态转为导通状态所需的最小控制极直流电流值称为触发电流IG，对应于触发电流IG时的控制极与阴极之间的直流电压UGK称为触发电压。一般UGK约为1～5V，IG为几十到几百mA。

2.1双向可控硅的工作原理

双向可控硅亦称为双向晶闸管，其内部是一个N1P1N2P2N3的五层结构，为三端元件，它有三个电极：主电极A1,主电极A2和控制极（或称门极）G,亦为一闸极控制开关。无论从结构还是特性来看，都可以把它看成是一对反向并联的普通可控硅，其结构、等效电路及 6 符号如图3所示。

图3 双向可控硅的符号、结构和等效电路

双向可控硅的基本指控电路如图4所示。它的主电极A2、A1与控制对象（负载）RL串联，相当于一个无触点开关。这个开关的“通”或“断”受控制极G上的信号uG（称为触发信号）的控制。当主电极A2、A1间有电压（u≠0）时，在触发信号uG出现的瞬间，双向可控硅A2、A1间便会导通，相当于开关的闭合状态。而且一旦导通以后，即使uG喜爱欧式，也能保持导通状态，知道u=0或主电极与负载串联电路中的电流减小到某一值，它才截止。截止后相当于开关的断开状态。这样便可以用控制极上的小电流信号去控制主电极回路中的大电流。

图4 双向可控硅的伏安特性曲线

一般说来，无论双向可控硅两个主电极A2、A1间电压极性如何，只要在控制极上加一定幅度的正、负脉冲，都能使其导通。所以i表示主电极中的电流，u表示A2、A1之间的电压，则两者之间的函数关系图像（称为伏安特性曲线）如图4所示。由该曲线可知，双向可控硅在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限具有基本相同的对称性能。

按照主电极上的电压u和控制极上的触发脉冲电压uG的极性，结合伏安特性曲线，双 7 向可控硅可以分为四种触发方式，定义如下：

（1）I触发：在特性曲线第Ⅰ象限（A2为正），控制极相对A1为正的触发。

（2）I触发：在特性曲线第Ⅰ象限（A2为正），控制极相对A1为负的触发。

（3）Ⅲ触发：在特性曲线第Ⅲ象限(A2为负)，控制极相对A1为正的触发。

（4）Ⅲ触发：在特性曲线第Ⅲ象限(A2为负)，控制极相对A1为负的触发。

在这四种触发方式中，I和Ⅲ具有较高的灵敏度，是常用的两种触发方式。

在新型电热电动器具控制电路中，加在各双向可控硅控制极上的触发信号由单片微电脑或集成电路输出。有的输出一个连续的正（或负）电压信号，有的输出一连串与50Hz正弦交流电源同步的过零触发脉冲。前者称为电位触发，而后者则称为脉冲触发。它们的波形分别如图5和图6.