可控硅的基本结构及工作原理

可控硅全称“可控硅整流元件”(Silicon Controlled Rectifier)，简写为SCR，别名晶体闸流管(Thyristor)，是一种具有三个PN结、四层结构的大功率半导体器件。可控硅体积小、结构简单、功能强，可起到变频、整流、逆变、无触点开关等多种作用，因此现已被广泛应用于各种电子产品中，如调光灯、摄像机、无线电遥控、组合音响等。

其原理图符号如下图所示：

从可控硅的电路符号可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，只是多了一个控制极G，正是它使得可控硅具有与二极管完全不同的工作特性。可控硅是可以处理耐高压、大电流的大功率器件，随着设计技术和制造技术的进步，越来越大容量化 。

可控硅的基本结构如下图所示：

三个PN结(J1、J2、J3)组成4层P1-N1-P2-N2结构的半导体器件对外有三个电极，由最外层P型半导体材料引出的电极作为阳极A，由中间的P型半导体材料引出的电极称为控制极G，由最外层的N型半导体材料引出的电极称为阴极K，它可以等效成如图所示的两只三极管电路。

下面我们来看看可控硅的工作原理：

如下图所示，初始状态下，电压VAK施加到可控硅的A、K两个端，此时三极管Q1与Q2都处于截止状态，两者地盘互不侵犯。

此时VAK电压全部施加到A、K两极之间，这个允许施加的最大电压VAK即断态重复峰值电压VDRM(Peak Repetitive Off-State Voltage)，相应的有断态重复峰值电流IDRM(Peak Repetitive Off-State Current)

如下图所示，电压VGK施加到G、K两极后，Q2的发射结因正向偏置而使其导通，从而产生了基极电流IB2，此时Q2尚处于截止状态，可控硅阳极电流IA为0，Q1的基极电流IB1也为0，电阻R2上也没有压降，因此Q2的集电极-发射电压VCE2为VAK，这个电压值通常远大于VBE2，即使是在测试数据手册中的参数时，VAK也至少有6V，实际应用时VAK会有几百伏，因此，三极管Q2的发射结正偏、集电结反偏，开始处于放大状态。

只有在G、K加上正向电压后，才可以触发可控硅的导通，这个触发电压的最小值称为门极触发电压VGT(Gate Trigger Voltage)，这个值就是一个PN结的结电压(不是电池电压VGK)，此时流过控制极的电流称为门极触发电流IGT(Gate Trigger Voltage)

刚刚进入放大状态(微导通)的三极管Q2将基极电流IB2进行放大，相应集电极的电流为IC2，其值为(IB2×β2)，尽管放大了β2倍，但此时的IC2还比较小，因此IA与IB1也比较小(但是已经不为0了)，电阻R2中也有微小电流，可以看成一个完整的电流回路，但此时的Q2的集电极-发射极压降仍然很大。

与此同时，三极管Q1的发射极一直是VAK(最高电压)，集电极一直是较低的电压(VBE2)，只要基极设置合适的电压，就可以进入放大状态，所以一直卧薪尝胆、蛰伏待机。Q2集电极电流IC2的出现，使得三极管Q1有机可乘。

处于微导通状态的三极管Q2形成的回路使三极管Q1基极所欠缺的电压一步到位，时机终于成熟了，三极管Q1也因此刚刚进入放大状态(微导通)!由于IB1与IC2是相同的，IB1经Q1放大后，其集电极电流IC1=(IB2×β2×β1)，这个电流值又比IC2增大了β1倍。

三极管Q1放大后的集电极电流IC1无处可逃，只好往Q2的基极去钻(不会跑到电阻R1这边来，因为电压VGK肯定比VBE2要高，水往低处走)，IC1就变成了IB2，三极管Q2的基极电流IB2被替换成了(IB2×β2×β1)，比原来增加了(β2×β1)倍。

所谓人多好办事，这个更大的基极电流IB2第二次被三极管Q2放大，此时的IC2就是(IB2×β2×β1×β2)，然后又重复被两个三极管交互进行正反馈放大，周而复始。

在这个过程中，三极管Q2的集电极-发射极压降越来越小，阳极电流IA的电流也越来越大，最终Q2饱和了(Q1也不甘示弱，节奏妥妥地跟上)，最后就成为下图所示的：

当Q1与Q2充分导通后(可控硅导通)，A、K两极之间的压降很小，其实就是Q1发射结电压VBE1 + Q2集电极-发射极饱和电压VCE2，这个电压称为正向通态电压VTM(Forward On-State Voltage)

可以看到，VAK的电压值最终全部加到电阻R2上面，整个过程就是由电压VGK引发的“血案”，原来R2电阻上没有任何压降，VGK电压触发可控硅后，VAK电压就全部加在电阻R2上面了。

可控硅完全导通后，流过A、K两极的电流即为通态电流IT(On-State Current)，实际应用时，VAK通常是交流电压(如220VAC)，因此常将此参数标记为通态平均电流IT(RMS)，指可控硅元件可以连续通过的工频正弦半波电流(在一个周期内)的平均值，而此时流过G、K两极的电流即为门极电流IG(Gate Current)，这个门极控制电流不应超过门极最大峰值电流IGM(Forward Peak Gate Voltage)

当VAK是交流电源的负半周时，可控硅因为A、K两极加反向电压而阻断，此时允许施加的最大电压称为反向重复峰值电压VRRM(Peak Repetitive Reverse Blocking Voltage)，由于可控硅阻断时的电阻不是无穷大，此时的电流称之为反向重复峰值电流IRRM(Peak Repetitive Reverse Blocking Current)。

这两个值与之前介绍的IDRM、VDRM是一样的，只不过IDRM、VDRM是在控制G极断开、可控硅阻断状态下测量的，而IRRM、VRRM是在可控硅A、K极接反向电压下测量的。

如果在可控硅阳极A与阴极K间加上反向电压时，开始可控硅处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的电压称为反向不重复峰值电压VRSM(Peak Non-Repetitive Surge Voltage)。

上面我们只是把R2(与R1)作为象征性的限流电阻，其实R2完全可以是负载，如电灯泡，如下图所示：

当G、K两极没有加正向电压时，A、K之间相当于是断开的，灯泡不亮

当G、K加上正向电压后，A、K之间相当于短路，所以VAK电压全部加在电灯泡上使其发光。

由地盘之争引发的“血案”就此完结!

但是还有下文哦!

如果在A、K之间充分导通后，我们拿掉电压VGK企图让灯泡熄灭，如下所示：

很遗憾，没有成功，灯泡还是一往无前地发射出嘲笑我们的刺眼光芒，因为这个时候VGK已经没有利用价值了，尽管没有VGK，可控硅内部还是会有三极管电流正反馈维持可控硅的继续导通。

在门极G开路时，要保持可控硅能处于导通状态所必须的最小正向电流，称为维持电流IH(Holding current)。还有一个擎住电流IL(Latch current)，是可控硅刚从断态转入通态并移除G极触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对于同一可控硅，通常IL约为IH的数倍。

导演，我没看懂这两者有什么区别!其实这与数字电路中的电平是相似的，如下图所示：

如果一个低电平要让另一方认为是高电平，那必须要超过VOH(上图的4.5V)，一旦这个低电平变成了高电平，继续让另一方认为是高电平，只需要不低于VIH(上图的3.5V)即可，维持这个高电平的代价显示更低一些。

那么有什么办法让电灯泡灭呢?

有一种办法很明显，就是使电流IA下降到不足以维持内部正反馈过程，可控硅自然就阻断了，灯泡也会随之熄灭，也就是把VAK电压降下来。这个地球人都知道，你VAK虽然是大BOSS，但让我为你开路总得留下点买路钱吧!只要降低电压VAK让IA小于IH，那么可控硅就断开了(或在A、K两极加反向电压，其实这与降低电压VAK是一个道理)。

但问题是，大多数时候VAK的电压不会那么容易(主动)下降，我帮主当得好好的，凭什么让我下台?老子有的是钱!

狡兔死，走狗烹，电压VGK深谙其中道理，也早早从“门极关断可控硅”手中重金买下简单的办法让灯泡熄灭。你丫的，我给你立下汗马功劳不让我当帮主，只有拆你的台了。如下图所示：

将电压VGK反向接入G、K两极后，想让三极管Q2截止继而让可控硅进入阻断状态，但还是无法成功，因为可控硅导通后处于深度饱和状态，就算加反向电压也是无效的。

如果反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，此时所对应的电压称为反向门极峰值电压IGM(Reverse Peak Gate Voltage)，使用时不应超过此值。

上面我们讨论的是常用的P型门极、阴极端受控的可控硅，还有一种不常用的N型门极、阳极端受控的可控硅，其原理图符号如下图所示，两者的原理是完全一样的，读者可自行分析一下。

下图的典型可控硅应用电路，可以用来调节灯泡的亮度。电路输入的220V交流电压经桥式整流后得到脉冲直流电压VP，此时可控硅VT为阻断状态，电路是不导通的;

随着脉冲直流电压VP通过可调电阻RP1、R1对电容C1进行充电，当电容C1上的电压足以触发可控硅VT时，可控硅导通后负载回路畅通，从而使电灯泡点亮，如下图所示：

调节可调电位器RP1即可控制电容C1的充电速度(充电常数越大充电速度越慢)，这样施加在灯泡上的交流电压的平均值就可以随之调整，从而调节电灯泡的高度。