可控硅概述

本文主要讲可控硅的测量方法、可控硅的特性及工作原理一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件,创制于1957年,由于它特性类似于真空闸流管,所以国际上通称为硅晶体闸流管,简称晶闸管T。又由于晶闸管最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件,简称为可控硅SCR。
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,因元件开关损髦显著增加,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。可控硅从外形上分类主要有:螺栓形、平板形和平底形。

可控硅的测量方法-怎样用万用表测量可控硅的各电极

1.可控硅的测量方法-单向可控硅的检测
万用表选用电阻R×1档,用红黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚,此时黑笔接的引脚为控制极G,红笔接的引脚为阴极K,另一空脚为阳极A。此时将黑表笔接已判断了的阳极A,红表笔仍接阴极K。此时万用表指针应不动。用短接线瞬间短接阳极A和控制极G,此时万用表指针应向右偏转,阻值读数为10欧姆左右。如阳极A接黑表笔,阴极K接红表笔时,万用表指针发生偏转,说明该单向可控硅已击穿损坏。
2.可控硅的测量方法-双向可控硅的检测
用万用表电阻R×1档,用红黑两表笔分别测任意两引脚正反向电阻,结果其中两组读数为无穷大。若一组为数十欧姆时,该组红黑表笔所接的两引脚为第一阳极A1和控制极G,另一空脚即为第二阳极A2。
确定A、G极后,再仔细测量A1、G极间正反向电阻,读数相对较小的那次测量的黑表笔所接的引脚为第一阳极A1,红表笔所接引脚为控制极G。将黑表笔接已确定了的第二阳极A2,红表笔接第一阳极A1,此时万用表指针应不发生偏转,阻值为无穷大。再用短接线将A2、G极瞬间短接,给G极加上正向触发电压,A2、A1间阻值约为10欧姆左右。
随后断开A2、G极短接线,万用表读数应保持10欧姆左右。互换红黑表笔接线,红表笔接第二阳极A2,黑表笔接第一阳极A1。同样万用表指针应不发生偏转,阻值为无穷大。
用短接线将A2、G极间再次瞬间短接,给G极加上负向的触发电压,A1、A2间阻值也是10欧姆左右。随后断开A2、G极间短接线,万用表读数应不变,保持10欧姆左右。符合以上规律,说明被测双向可控硅管未损坏且三个引脚极性判断正确。

可控硅的的结构

1、结构
不管可控硅的外形如何,它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。见图1。它有三个PN结(J1、J2、J3),从J1结构的P1层引出阳极A,从N2层引出阴级K,从P2层引出控制极G,所以它是一种四层三端的半导体器件。
图1 可控硅结构示意图和符号图

可控硅元件的工作原理及基本特性

1、工作原理
可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件,共有三个PN结,分析原理时,可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如图2所示
图2 可控硅等效图解图
当阳极A加上正向电压时,BG1和BG2管均处于放大状态。此时,如果从控制极G输入一个正向触发信号,BG2便有基流ib2流过,经BG2放大,其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连,所以ib1=ic2。此时,电流ic2再经BG1放大,于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极,表成正反馈,使ib2不断增大,如此正向馈循环的结果,两个管子的电流剧增,可控硅使饱和导通。
由于BG1和BG2所构成的正反馈作用,所以一旦可控硅导通后,即使控制极G的电流消失了,可控硅仍然能够维持导通状态,由于触发信号只起触发作用,没有关断功能,所以这种可控硅是不可关断的。
由于可控硅只有导通和关断两种工作状态,所以它具有开关特性,这种特性需要一定的条件才能转化,此条件见表三
表三、可控硅导通和关断条件
2、基本伏安特性
可控硅的基本伏安特性见图3
图3 可控硅基本伏安特性
(1)反向特性 当控制极开路,阳极加上反向电压时(见图4),J2结正偏,但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流,当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后,接差J3结也击穿,电流迅速增加,图3的特性开始弯曲,如特性OR段所示,弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时,可控硅会发生永久性反向击穿。
(2)正向特性 当控制极开路,阳极上加上正向电压时(见图5),J1、J3结正偏,但J2结反偏,这与普通PN结的反向特性相似,也只能流过很小电流,这叫正向阻断状态,当电压增加,图3的特性发生了弯曲,如特性OA段所示,弯曲处的是UBO叫:正向转折电压
由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后,J2结发生雪崩倍增效应,在结区产生大量的电子和空穴,电子时入N1区,空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合,同样,进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合,雪崩击穿,进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉,这样,在N1区就有电子积累,在P2区就有空穴积累,结果使P2区的电位升高,N1区的电位下降,J2结变成正偏,只要电流稍增加,电压便迅速下降,出现所谓负阻特性,见图3的虚线AB段。
这时J1、J2、J3三个结均处于正偏,可控硅便进入正向导电状态---通态,此时,它的特性与普通的PN结正向特性相似,见图3中的BC段
3、触发导通
在控制极G上加入正向电压时(见图6)因J3正偏,P2区的空穴时入N2区,N2区的电子进入P2区,形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用(见图2)的基础上,加上IGT的作用,使可控硅提前导通,导致图3的伏安特性OA段左移,IGT越大,特性左移越快。
图6 阳极和控制极均加正向电压
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