簡介
可控矽晶閘管又叫可控矽。自從20世紀50年代問世以來已經發展成了一個大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管、可關斷晶閘管、快速晶閘管，等等。今天大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說的普通晶閘管，它是由四層半導體材料組成的，有三個PN結，對外有三個電極〔圖2(a)〕：第一層P型半導體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號〔圖2(b)〕可以看到，它和二極體一樣是一種單方嚮導電的器件，關鍵是多了一個控制極G，這就使它具有與二極體完全不同的工作特性。
結構
大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說的普通晶閘管，它是由四層半導體材料組成的，有三個PN結，對外有三個電極〔圖2(a）〕：第一層P型半導體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號〔圖2(b）〕可以看到，它和二極體一樣是一種單方嚮導電的器件，關鍵是多了一個控制極G，這就使它具有與二極體完全不同的工作特性。
以矽單晶為基本材料的P1N1P2N2四層三端器件,起始於1957年，因為它的特性類似於真空閘流管，所以國際上通稱為矽晶體閘流管，簡稱晶閘管T，又因為晶閘管最初的在靜止整流方面，所以又被稱之為矽可控整流元件，簡稱為可控矽SCR。
在性能上，可控矽不僅具有單嚮導電性，而且還具有比矽整流元件（俗稱"死矽")更為可貴的可控性。它只有導通和關斷兩種狀態。
可控矽能以毫安級電流控制大功率的機電設備，如果超過此功率，因元件開關損耗顯著增加，允許通過的平均電流相降低，此時，標稱電流應降級使用。
可控矽的優點很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數高達幾十萬倍；反應極快，在微秒級內開通、關斷；無觸點運行，無火花、無噪音；效率高，成本低等等。
可控矽的弱點：靜態及動態的過載能力較差；容易受干擾而誤導通。
可控矽從外形上分類主要有：螺栓形、平板形和平底形。
可控矽元件的結構
不管可控矽的外形如何，它們的管芯都是由P型矽和N型矽組成的四層P1N1P2N2結構。見圖1。它有三個PN結（J1、J2、J3），從J1結構的P1層引出陽極A，從N2層引出陰級K，從P2層引出控制極G，所以它是一種四層三端的半導體器件。
工作特性
可控矽為了能夠直觀地認識晶閘管的工作特性，首先看這塊示教板(圖3)。晶閘管VS與小燈泡EL串聯起來，通過開關S接在直流電源上。注意陽極A是接電源的正極，陰極K接電源的負極，控制極G通過按鈕開關SB接在3V直流電源的正極(這裡使用的是KP5型晶閘管，若採用KP1型，應接在1.5V直流電源的正極)。晶閘管與電源的這種連線方式叫做正向連線，也就是說，給晶閘管陽極和控制極所加的都是正向電壓。現在我們合上電源開關S，小燈泡不亮，說明晶閘管沒有導通；再按一下按鈕開關SB，給控制極輸入一個觸發電壓，小燈泡亮了，說明晶閘管導通了。這說明要使晶閘管導通，一是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓，二是在它的控制極G與陰極K之間輸入一個正向觸發電壓。晶閘管導通後，鬆開按鈕開關，去掉觸發電壓，仍然維持導通狀態。
單向晶閘管的伏安特性曲線如圖所示。
特性曲線從特性曲線上可以看出它分五個區，即反向擊穿區、反向阻斷區、正向阻斷區、負阻區和正嚮導通區。大多數情況下，晶閘管的套用電路均工作在正向阻斷和正嚮導通兩個區域。晶閘管A、K極間所加的反向電壓不能大於反向峰值電壓，否則有可能便其燒毀。
單向晶閘管的上述特性，可以用以下兒個主要參數來表征。
①額定平均電流IT:在規定的條件下，晶閘管允許通過的50Hz正弦波電流的平均值。
②正向轉折電壓VBo:是指在額定結溫及控制極開路的條件下，在陽極和陰極間加以正弦波半波正向電壓，使其由關斷狀態發生正向轉折變為導通狀態時所對應的電壓峰值。
③正向阻斷峰值電壓VDRM:定義為正向轉折電壓減去100V後的電壓值。
④反向擊穿電壓VBR:是指在額定結溫下，陽極和陰極間加以正弦波反向電壓，當其反向漏電流急劇上升時所對應的電壓峰值。
⑤反向峰值電壓VRRM:定義為反向擊穿電壓減去1OOV後的電壓值。
⑥正向平均壓降VF:是指在規定的條件下，當通過的電流為其額定電流時，晶閘管陽極、陰極間電壓降的平均值。
⑦維持電流IH:是指維持晶閘管導通的最小電流。
⑧控制極觸發電壓VCT和觸發電流IGT:在規定的條件下，加在控制極上的可以使晶閘管導通的所必需的最小電壓和電流。
⑨導通時間tg((ton):從在晶閘管的控制極加上觸發電壓VGT開始到晶閘管導通，其導通電流達到90%時的這一段時間稱為導通時間。
⑩關斷時間tg(toff):從切斷晶閘管的工向電流開始到控制極恢復控制能力的這一段時間稱為關斷時間。
晶閘管的特點：是“一觸即發”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，晶閘管就不能導通。控制極的作用是通過外加正向觸發脈衝使晶閘管導通，卻不能使它關斷。那么，用什麼方法才能使導通的晶閘管關斷呢?使導通的晶閘管關斷，可以斷開陽極電源(圖3中的開關S)或使陽極電流小於維持導通的最小值(稱為維持電流)。如果晶閘管陽極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動直流電壓，那么，在電壓過零時，晶閘管會自行關斷。
工作原理
可控矽工作原理可控矽是可控矽整流元件的簡稱,是一種具有三個PN結的四層結構的大功率半導體器件，一般由兩晶閘管反向連線而成.它的功用不僅是整流，還可以用作無觸點開關以快速接通或切斷電路，實現將直流電變成交流電的逆變，將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等等。可控矽和其它半導體器件一樣，其有體積小、效率高、穩定性好、工作可靠等優點。它的出現，使半導體技術從弱電領域進入了強電領域，成為工業、農業、交通運輸、軍事科研以至商業、民用電器等方面爭相採用的元件。
晶閘管T在工作過程中，它的陽極A和陰極K與電源和負載連線，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連線，組成晶閘管的控制電路。
主要參數
可控矽2、正向阻斷峰值電壓VPF在控制極開路未加觸發信號，陽極正向電壓還未超過導能電壓時，可以重複加在可控矽兩端的正向峰值電壓。可控矽承受的正向電壓峰值，不能超過手冊給出的這個參數值。
3、反向陰斷峰值電壓VPR當可控矽加反向電壓，處於反向關斷狀態時，可以重複加在可控矽兩端的反向峰值電壓。使用時，不能超過手冊給出的這個參數值。
4、控制極觸發電流Ig1、觸發電壓VGT在規定的環境溫度下，陽極--陰極間加有一定電壓時，可控矽從關斷狀態轉為導通狀態所需要的最小控制極電流和電壓。
5、維持電流IH在規定溫度下，控制極斷路，維持可控矽導通所必需的最小陽極正向電流。
參數符號說明
IT(AV)--通態平均電流
VRRM--反向重複峰值電壓IDRM--斷態重複峰值電流ITSM--通態一個周波不重複浪涌電流VTM--通態峰值電壓IGT--門極觸發電流VGT--門極觸發電壓IH--維持電流dv/dt--斷態電壓臨界上升率di/dt--通態電流臨界上升率Rthjc--結殼熱阻VISO--模組絕緣電壓Tjm--額定結溫VDRM--通態重複峰值電壓IRRM--反向重複峰值電流IF(AV)--正向平均電流主要用途
可控矽Ug到來得早，晶閘管導通的時間就早；Ug到來得晚，晶閘管導通的時間就晚。通過改變控制極上觸發脈衝Ug到來的時間，就可以調節負載上輸出電壓的平均值UL。在電工技術中，常把交流電的半個周期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個正半周，從零值開始到觸發脈衝到來瞬間所經歷的電角度稱為控制角α；在每個正半周內晶閘管導通的電角度叫導通角θ。很明顯，α和θ都是用來表示晶閘管在承受正向電壓的半個周期的導通或阻斷範圍的。通過改變控制角α或導通角θ，改變負載上脈衝直流電壓的平均值UL，實現了可控整流。
結構和特性
三極度可控矽
外形1可控矽為什麼其有“以小控大”的可控性呢？下面我們用圖表-27來簡單分析可控矽的工作原理。
首先，可以把從陰極向上數的第一、二、三層看面是一隻NPN型號電晶體，而二、三四層組成另一隻PNP型電晶體。其中第二、第三層為兩管交迭共用。當在陽極和陰極之間加上一個正向電壓Ea，又在控制極G和陰極C之間（相當BG1的基一射間）輸入一個正的觸發信號，BG1將產生基極電流Ib1，經放大，BG1將有一個放大了β1倍的集電極電流IC1。因為BG1集電極與BG2基極相連，IC1又是BG2的基極電流Ib2。BG2又把比Ib2（Ib1）放大了β2的集電極電流IC2送回BG1的基極放大。如此循環放大，直到BG1、BG2完全導通。實際這一過程是“一觸即發”的過程，對可控矽來說，觸發信號加入控制極，可控矽立即導通。導通的時間主要決定於可控矽的性能。
其次，可控矽一經觸發導通後，由於循環反饋的原因，流入BG1基極的電流已不只是初始的Ib1，而是經過BG1、BG2放大後的電流（β1*β2*Ib1）這一電流遠大於Ib1，足以保持BG1的持續導通。此時觸發信號即使消失，可控矽仍保持導通狀態只有斷開電源Ea或降低Ea，使BG1、BG2中的集電極電流小於維持導通的最小值時，可控矽方可關斷。當然，如果Ea極性反接，BG1、BG2由於受到反向電壓作用將處於截止狀態。這時，即使輸入觸發信號，可控矽也不能工作。反過來，Ea接成正向，而觸動發信號是負的，可控矽也不能導通。
外形圖2另外，如果不加觸發信號，而正向陽極電壓大到超過一定值時，可控矽也會導通，但已屬於非正常工作情況了。可控矽這種通過觸發信號（小的觸發電流）來控制導通（可控矽中通過大電流）的可控特性，正是它區別於普通矽整流二極體的重要特徵。
可控矽的種類
可控矽（一）按關斷、導通及控制方式分類：可控矽按其關斷、導通及控制方式可分為普通可控矽、雙向可控矽、逆導可控矽、門極關斷可控矽（GTO）、BTG可控矽、溫控可控矽和光控可控矽等多種。
（二）按引腳和極性分類：可控矽按其引腳和極性可分為二極可控矽、三極可控矽和四極可控矽。
（三）按封裝形式分類：可控矽按其封裝形式可分為金屬封裝可控矽、塑封可控矽和陶瓷封裝可控矽三種類型。其中，金屬封裝可控矽又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種；塑封可控矽又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。
（四）按電流容量分類：可控矽按電流容量可分為大功率可控矽、中功率可控矽和小功率可控矽三種。通常，大功率可控矽多採用金屬殼封裝，而中、小功率可控矽則多採用塑封或陶瓷封裝。
(五）按關斷速度分類：可控矽按其關斷速度可分為普通可控矽和高頻（快速）可控矽。
如何鑑別
普通可控矽的三個電極可以用萬用表歐姆擋R×100擋位來測。大家知道，晶閘管G、K之間是一個PN結(a)，相當於一個二極體，G為正極、K為負極，所以，按照測試二極體的方法，找出三個極中的兩個極，測它的正、反向電阻，電阻小時，萬用表黑表筆接的是控制極G，紅表筆接的是陰極K，剩下的一個就是陽極A了。測試晶閘管的好壞，可以用剛才演示用的示教板電路。接通電源開關S，按一下按鈕開關SB，燈泡發光就是好的，不發光就是壞的。
鑑別可控矽三個極的方法很簡單，根據P-N結的原理，只要用萬用表測量一下三個極之間的電阻值就可以。
陽極與陰極之間的正向和反向電阻在幾百千歐以上，陽極和控制極之間的正向和反向電阻在幾百千歐以上（它們之間有兩個P-N結，而且方向相反，因此陽極和控制極正反向都不通）。
控制極與陰極之間是一個P-N結，因此它的正向電阻大約在幾歐-幾百歐的範圍，反向電阻比正向電阻要大。可是控制極二極體特性是不太理想的，反向不是完全呈阻斷狀態的，可以有比較大的電流通過，因此，有時測得控制極反向電阻比較小，並不能說明控制極特性不好。另外，在測量控制極正反向電阻時，萬用表應放在R*10或R*1擋，防止電壓過高控制極反向擊穿。
若測得元件陰陽極正反向已短路，或陽極與控制極短路，或控制極與陰極反向短路，或控制極與陰極斷路，說明元件已損壞。
可控矽是可控矽整流元件的簡稱，是一種具有三個PN結的四層結構的大功率半導體器件。實際上，可控矽的功用不僅是整流，它還可以用作無觸點開關以快速接通或切斷電路，實現將直流電變成交流電的逆變，將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電，等等。可控矽和其它半導體器件一樣，其有體積小、效率高、穩定性好、工作可靠等優點。它的出現，使半導體技術從弱電領域進入了強電領域，成為工業、農業、交通運輸、軍事科研以至商業、民用電器等方面爭相採用的元件。
常用封裝形式
常用可控矽的封裝形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等。
典型套用電路
由繼電器Ｊ、電源（＋12Ｖ）、開關Ｋ１和微動開關Ｋ２組成的鎖存器電路。當電源開關Ｋ１閉合時，因Ｊ迴路中的開關Ｋ２和其觸點Ｊ－１是斷開的，繼電器Ｊ不工作，其觸點Ｊ－２也未閉合，所以電珠Ｌ不亮。一旦人工觸動一下Ｋ２，Ｊ得電激活，對應的觸點Ｊ－１、Ｊ－２閉合，Ｌ點亮。此時微動開關Ｋ２不再起作用（已自鎖）。要使電珠Ｌ熄滅，只有斷開電源開關Ｋ１使繼電器釋放，電珠Ｌ才會熄滅。該電路具有鎖存器（Ｊ－１自鎖）的功能。
電路是用單向可控矽ＳＣＲ代替圖１中的繼電器Ｊ，仍可完成圖１的鎖存器功能，即開關Ｋ１閉合時，電路不工作，電珠Ｌ不亮。當觸動一下微動開關Ｋ２時，ＳＣＲ因電源電壓通過Ｒ１對門極加電而被觸發導通且自鎖，Ｌ點亮，此時Ｋ２不再起作用，要使Ｌ熄滅，只有斷開Ｋ１。圖２電路也具有鎖存器的功能。
主要生產廠家
主要廠家品牌：ST，NXP/PHILIPS，NEC，ON/MOTOROLA，RENESAS/MITSUBISHI，LITTELFUSE/TECCOR，TOSHIBA，JX，SANREX，SANKEN，SEMIKRON，EUPEC，IR，JBL等。
術語
IT(AV)--通態平均電流
VRRM--反向重複峰值電壓IDRM--斷態重複峰值電流
ITSM--通態一個周波不重複浪涌電流
VTM--通態峰值電壓
IGT--門極觸發電流
VGT--門極觸發電壓
IH--維持電流
dv/dt--斷態電壓臨界上升率
di/dt--通態電流臨界上升率
Rthjc--結殼熱阻
ⅥSO--模組絕緣電壓
Tjm--額定結溫
VDRM--通態重複峰值電壓
IRRM--反向重複峰值電流
IF(AV)--正向平均電流
PGM--門極峰值功率
PG----門極平均功率
延伸閱讀
1、柵極上的噪聲電平在有電噪聲的環境中，如果柵極上的噪聲電壓超過VGT，並有足夠的柵電流激發可控矽(晶閘管)內部的正反饋，則也會被觸發導通。
套用安裝時，首先要使柵極外的連線儘可能短。當連線不能很短時，可用絞線或禁止線來減小干擾的侵入。在然後G與MT1之間加一個1KΩ的電阻來降低其靈敏度，也可以再並聯一個100nf的電容，來濾掉高頻噪聲。
2、關於轉換電壓變化率當驅動一個大的電感性負載時，在負載電壓和電流間有一個很大的相移。當負載電流過零時，雙向可控矽(晶閘管)開始換向，但由於相移的關係，電壓將不會是零。所以要求可控矽(晶閘管)要迅速關斷這個電壓。如果這時換向電壓的變化超過允許值時，就沒有足夠的時間使結間的電荷釋放掉，而被迫使雙向可控矽(晶閘管)回到導通狀態。
為了克服上述問題，可以在端子MT1和MT2之間加一個RC網路來限制電壓的變化，以防止誤觸發。一般，電阻取100R，電容取100nF。值得注意的是此電阻不能省掉。
3、關於轉換電流變化率當負載電流增大，電源頻率的增高或電源為非正弦波時，會使轉換電流變化率變高，這種情況最易在感性負載的情況下發生，很容易導致器件的損壞。此時可以在負載迴路中串聯一隻幾毫亨的空氣電感。
4、關於可控矽開路電壓變化率DVD/DT在處於截止狀態的雙向可控矽(晶閘管)兩端加一個小於它的VDFM的高速變化的電壓時，內部電容的電流會產生足夠的柵電流來使可控矽(晶閘管)導通。這在高溫下尤為嚴重，在這種情況下可以在MT1和MT2間加一個RC緩衝電路來限制VD/DT，或可採用高速可控矽(晶閘管)。
5、關於連續峰值開路電壓VDRM在電源不正常的情況下，可控矽(晶閘管)兩端的電壓會超過連續峰值開路電壓VDRM的最大值，此時可控矽(晶閘管)的漏電流增大並擊穿導通。如果負載能允許很大的浪涌電流，那么矽片上局部的電流密度就很高，使這一小部分先導通。導致晶片燒毀或損壞。另外白熾燈，容性負載或短路保護電路會產生較高的浪涌電流，這時可外加濾波器和鉗位電路來防止尖峰（毛刺）電壓加到雙向可控矽(晶閘管)上。
五金材料(一)
| 常見五金材料。 |
