晶闸管：类型、操作与硅控整流器 (SCR) 的威力
晶闸管是由交替 N-P-N-P 层构成的双极导电半导体器件家族。家族包括硅控整流器 (SCR)、双向晒闸管 (TRIAC)、栅极关断开关 (GTO)、硅控开关 (SCS)、交流二极管 (DIAC)、单结晶体管 (UJT) 和可编程单结晶体管 (PUT)。本文聚焦 SCR 并简述 GTO。
1950 年 Shockley 提出四层二极管晶闸管。通用电气后实现设计，SCR 此后演进至处理几瓦到数兆瓦功率。最小单元——封装似小信号晶体管——在约 100 VAC 下开关几百毫安。最大商用器件直径 172 mm，可承受 5,600 A、10,000 V。高功率 SCR 可在数英寸晶圆制造。
硅控整流器 (SCR)
SCR 是含栅极端子的四层二极管。施加正栅脉冲时，内部 NPN-PNP 晶体管对被触发导通。两晶体管间正反馈维持导通态，即使栅脉冲移除。器件持续导通只要阳极保持正偏。直流中导通永久；交流或脉动直流中，阳极电压跌零时停止——此为换流点。
掺杂结构如下图：阴极 (N⁺) 和阳极 (P⁺) 重掺，中间 N⁻ 和 P 层轻掺，形成晶体管基区。高功率 SCR 中此结构可跨越整个晶圆。
SCR 与 GTO 符号如图：基本二极管符号指示单向导通，栅极引线标示控制能力。GTO 符号双向箭头表示负栅脉冲可关断器件。
除硅外，碳化硅 (SiC) SCR 研发中。SiC 热导率仅次金刚石，允许更小尺寸或更高温度下更大功率处理。
关键要点
- SCR 是最常见四层晶闸管。
- 正栅脉冲触发导通，持续至阳极电压跌零。
- SCR 擅长需持续导通的交流或脉动直流应用。
- GTO 可用负栅脉冲关断。
- SCR 可管 5.6 kA、10 kV，达兆瓦级功率。
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工业技术