硅控整流器(SCR)

目標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的目的是檢查硅控整流器(SCR)的結(jié)構(gòu)和操作。SCR主要用在需要（在高電壓下）控制更高功率的器件中。SCR能夠開啟和關(guān)斷大電流，所以適合用于中高壓AC電源控制應(yīng)用中，例如燈光調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓器和電機(jī)控制。此外，集成電路中可能無(wú)意形成SCR，當(dāng)它們被觸發(fā)時(shí)，可能導(dǎo)致電路故障，甚至出現(xiàn)可靠性問(wèn)題和造成損壞。

背景知識(shí)

SCR是一種4層固態(tài)電流控制器件，具有三個(gè)端子。它們和傳統(tǒng)二極管一樣具有陽(yáng)極和陰極端子，第三個(gè)為控制端子，被稱為柵極。SCR是單向器件：只在一個(gè)方向傳輸電流，就像二極管或整流器一樣。SCR只能由傳輸至柵極的電流觸發(fā)；它兼具二極管的整流功能和晶體管的開/關(guān)控制功能；

一般用于電源開關(guān)應(yīng)用。在常閉狀態(tài)下，該器件將電流限制為泄漏電流。當(dāng)柵極到陰極的電流超過(guò)一定閾值時(shí)，該器件開啟并傳輸電流。只要通過(guò)器件的電流高于保持電流，即使在消除柵極電流后，SCR仍然保持開啟狀態(tài)。一旦電流低于保持電流一段時(shí)間，器件就會(huì)關(guān)斷。如果柵極出現(xiàn)脈沖，并且通過(guò)器件的電流低于閉鎖電流，器件將保持關(guān)斷狀態(tài)。

圖1b顯示SCR的4層結(jié)構(gòu)，我們可以看到3個(gè)端子：一個(gè)位于外部P型層上，稱為陽(yáng)極A；第二個(gè)位于外部n型層上，稱為陰極K；第三個(gè)位于下部NPN晶體管部分的基極，稱為柵極G。

圖1.SCR等效電路。

如圖1c所示，SCR可以視為兩個(gè)單獨(dú)的晶體管。SCR等效電路由一個(gè)PNP晶體管和一個(gè)NPN晶體管組成，兩個(gè)晶體管互相連接，如圖1d所示。我們可以看到，每個(gè)晶體管的集電極都連接到另一個(gè)晶體管的基極，形成一個(gè)正反饋回路。

SCR具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。第一種，不導(dǎo)電的關(guān)斷狀態(tài)。在柵極端子開啟的情況下，我們先假設(shè)沒(méi)有電流流入NPN晶體管Q2的基極端子。如果基極電流為零，Q2的集電極電流也為零。如果Q2的集電極電流為零，那么從PNP晶體管Q1的基極流出的電流為零。如果Q1的基極電流為零，那么Q1的集電極電流應(yīng)為零。這與我們的初始假設(shè)（Q2的基極電流為零）是一致的。由于Q1和Q2的集電極電流均為零（基極電流為零），我們可以得出，任何一個(gè)晶體管中的發(fā)射極電流也應(yīng)為零。只要從發(fā)射極到集電極，通過(guò)Q1或Q2的任何泄漏電流非常小，這種零電流關(guān)斷狀態(tài)就會(huì)保持穩(wěn)定。

第二種穩(wěn)定狀態(tài)是導(dǎo)通狀態(tài)?？梢酝ㄟ^(guò)將少量電流注入柵極端子，使SCR從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換或切換至導(dǎo)通狀態(tài)。在這個(gè)回路中執(zhí)行剛剛在關(guān)斷狀態(tài)下的相同步驟，我們可以看到，只要向Q2提供基極電流，就會(huì)有較大的集電極電流（是基極電流的?NPN倍）開始傳輸。這個(gè)Q2集電極電流將變成Q1的基極電流。Q1中的這個(gè)基極電流在Q1中產(chǎn)生更大的集電極電流（基極電流的?PNP倍）。Q1的集電極電流回流到Q2的基極，使其基極電流進(jìn)一步增大。這個(gè)電流反饋回路建立之后，初始柵極電流可以消除，而只要SCR周圍的外部電路通過(guò)SCR提供電流，SCR就會(huì)保持開啟狀態(tài)。關(guān)斷SCR的唯一方式是使電流降低至低于關(guān)鍵“保持”電流水平。

關(guān)于這個(gè)正反饋回路，有一點(diǎn)需要注意：只要滿足以下條件，SCR將會(huì)保持開啟狀態(tài)，并且會(huì)一直處于這種閉鎖狀態(tài)：

當(dāng)SCR處于開啟狀態(tài)，從端子A到K在SCR兩端的壓降是Q1VBE和Q2VCESAT之和，與Q2VBE和Q1VCESAT之和并聯(lián)。我們知道，當(dāng)集電極基極結(jié)正向偏置到飽和區(qū)域，即VCE小于VBE時(shí)，BJT器件的?下降。兩個(gè)晶體管的VCE會(huì)下降，直到滿足正反饋增益方程，且?PNP × ?NPN等于1。

值得注意的是，BJT晶體管的?在集電極電流較小時(shí)也較小，根據(jù)上述方程，如果泄漏電流足夠小，導(dǎo)致在這個(gè)低泄漏電流水平下，?PNP × ?NPN小于1，那么SCR會(huì)保持在關(guān)斷狀態(tài)。

ADALP2000模擬部件套件不包含SCR，但我們可以利用分立式PNP和NPN晶體管來(lái)構(gòu)建圖1d所示的等效電路，以仿真SCR。

材料

ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

無(wú)焊試驗(yàn)板

兩個(gè)1 k?電阻

兩個(gè)100 k?電阻

一個(gè)0.1 μF電容

一個(gè)小信號(hào)NPN晶體管(2N3904)

一個(gè)小信號(hào)PNP晶體管(2N3906)

說(shuō)明

在無(wú)焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖2所示的SCR等效電路模型。

圖2.用于仿真SCR的電路。

兩個(gè)100 kΩ電阻R1和R2分別安裝在每個(gè)晶體管各自的VBE位置，確保任何小泄漏電流不會(huì)自行觸發(fā)仿真的SCR。電阻R3將來(lái)自AWG2的電壓脈沖轉(zhuǎn)換為觸發(fā)電流。

硬件設(shè)置

SCR的試驗(yàn)板連接如圖3所示。

圖3.用于仿真SCR的電路試驗(yàn)板連接。

程序步驟

AWG1應(yīng)配置為正弦波，峰峰波幅為10 V，零偏移，頻率為100 Hz。AWG2應(yīng)配置為方波，峰峰波幅為800 mV，400 mV偏移，頻率為 100 Hz。確保同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)AWG通道。

觸發(fā)通道1上的示波器。觀察示波器通道1的輸入正弦波和示波器通道2上通過(guò)RL的電壓，按180°至360°步長(zhǎng)調(diào)節(jié)AWG2的相位。根據(jù)AWG2的相位設(shè)置，得出的曲線可能如下圖所示?？梢钥吹剑ㄟ^(guò)RL的電壓為零，SCR處于關(guān)斷狀態(tài)，直到AWG2發(fā)出觸發(fā)脈沖，SCR一直處于開啟狀態(tài)，直到輸入正弦波電壓超過(guò)零。

圖4.波形示例。

圖5.Scopy波形示例。

當(dāng)SCR處于開啟狀態(tài)并傳輸電流時(shí)，測(cè)量并報(bào)告通過(guò)SCR的壓降。

通過(guò)調(diào)節(jié)AWG2，找出可以觸發(fā)SCR的最小脈沖電壓（幅度）。根據(jù)此電壓R3和Q2的VBE，估算最小觸發(fā)電流。對(duì)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。

嘗試給R1和R2使用更大值(1 M?)和更小值(10 k?)。最小觸發(fā)電壓會(huì)如何改變？

使用0.1 μF電容替代電阻R3。該耦合電容充當(dāng)微分器，將AWG輸出的方波脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ǖ纳仙睾拖陆笛厣溪M窄的正負(fù)尖峰電流。這會(huì)如何影響SCR的觸發(fā)時(shí)間和觸發(fā)方式？

集成電路中無(wú)意形成的寄生SCR

我們探討了利用SCR特性的應(yīng)用。遺憾的是，集成電路中可能不希望形成SCR，如果這些SCR觸發(fā)，可能會(huì)導(dǎo)致電路故障，甚至導(dǎo)致集成電路產(chǎn)生可靠性問(wèn)題和損壞。

閂鎖

閂鎖是一種潛在破壞性情況。這種情況會(huì)觸發(fā)一個(gè)寄生SCR，造成正負(fù)電源短路。如果電流不受限制，會(huì)發(fā)生電氣過(guò)應(yīng)力。典型的閂鎖情況發(fā)生在CMOS輸出器件中，兩個(gè)寄生基極-發(fā)射極結(jié)之一在過(guò)壓事件期間暫時(shí)正向偏置時(shí)，驅(qū)動(dòng)器晶體管和井會(huì)形成4層PNPN SCR結(jié)構(gòu)。SCR開啟并實(shí)際上造成VDD和地之間的短路。

由于所有這些MOS器件都位于單片芯片上，出現(xiàn)適當(dāng)?shù)耐獠考?lì)時(shí)，寄生SCR器件可能會(huì)開啟，這種情況在設(shè)計(jì)不良的CMOS電路中很常見。圖6是兩個(gè)晶體管的簡(jiǎn)化截面圖，一個(gè)PMOS，一個(gè)NMOS；它們可以連接在一起作為邏輯門使用，或作為模擬放大器或開關(guān)使用。寄生雙極晶體管負(fù)責(zé)進(jìn)行閂鎖，Q1（縱向PNP）和Q2（橫向NPN）如圖所示。

圖6.PMOS和NMOS器件的截面圖，包含寄生晶體管Q1和Q2。

可以采用合適的設(shè)計(jì)方法減少SCR形成的幾率，包括增大NMOS和PMOS器件之間的間距，以及在NWELL和PWELL之間和周圍插入高摻雜區(qū)。這兩種布局方法都試圖將縱向PNP或橫向NPN寄生雙極晶體管的?降低到小于1。其中一些方法還傾向于降低RPWELL和RNWELL的電阻，從而增加開啟SCR所需的最小觸發(fā)電流。

審核編輯：郭婷