全面解析可控硅與場(chǎng)效應(yīng)管的區(qū)別-可控硅與場(chǎng)效應(yīng)管知識(shí)大全-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-09-26
可控硅(Silicon Controlled Rectifier) 簡(jiǎn)稱SCR，是一種大功率電器元件，也稱晶閘管。它具有體積小、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可作為大功率驅(qū)動(dòng)器件，實(shí)現(xiàn)用小功率控件控制大功率設(shè)備。它在交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)及隨動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
可控硅分單向可控硅和雙向可控硅兩種。雙向可控硅也叫三端雙向可控硅，簡(jiǎn)稱TRIAC。雙向可控硅在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于兩個(gè)單向可控硅反向連接，這種可控硅具有雙向?qū)üδ?。其通斷狀態(tài)由控制極G決定。在控制極G上加正脈沖(或負(fù)脈沖)可使其正向(或反向)導(dǎo)通。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡(jiǎn)單，沒有反向耐壓?jiǎn)栴}，因此特別適合做交流無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)使用。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管。主要有兩種類型：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（metal-oxide semiconductor FET，簡(jiǎn)稱MOS-FET）。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。
場(chǎng)效應(yīng)管（FET）是利用控制輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，并以此命名。
由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。
可控硅與場(chǎng)效應(yīng)管的區(qū)別中結(jié)構(gòu)也是大不相同的，現(xiàn)在來看看他們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上的區(qū)別。
MOS場(chǎng)效應(yīng)三極管分為：增強(qiáng)型（又有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見上圖。其中：電極 D（Drain） 稱為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極；
電極 G（Gate） 稱為柵極，相當(dāng)于的基極；
電極 S（Source）稱為源極，相當(dāng)于發(fā)射極。
N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)
在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極,作為柵極g。襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。
圖(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。
N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理
（1）vGS對(duì)iD及溝道的控制作用
① vGS=0 的情況
從圖1(a)可以看出，增強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵——源電壓vGS=0時(shí)，即使加上漏——源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏——源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)漏極電流iD≈0。
② vGS>0 的情況
若vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。電場(chǎng)方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)能排斥空穴而吸引電子。
排斥空穴：使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層。吸引電子：將 P型襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。
（2）導(dǎo)電溝道的形成：
當(dāng)vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏——源極之間仍無(wú)導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。vGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏——源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。
開始形成溝道時(shí)的柵——源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。
上面討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)vGS≥VT時(shí)，才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時(shí)才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。溝道形成以后，在漏——源極間加上正向電壓vDS，就有漏極電流產(chǎn)生。
vDS對(duì)iD的影響
如圖(a)所示，當(dāng)vGS>VT且為一確定值時(shí)，漏——源電壓vDS對(duì)導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相似。
漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD=vGS－vDS，因而這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較?。╲DS），隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng)vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)時(shí)，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS，夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng)，如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)，iD幾乎僅由vGS決定。
N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)
（1）結(jié)構(gòu)：
N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強(qiáng)型MOS管基本相似。
（2）區(qū)別：
耗盡型MOS管在vGS=0時(shí)，漏——源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型MOS管要在vGS≥VT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。
（3）原因：
制造N溝道耗盡型MOS管時(shí)，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時(shí)摻入負(fù)離子)，如圖1(a)所示，因此即使vGS=0時(shí)，在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，漏——源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道)，只要加上正向電壓vDS，就有電流iD。
如果加上正的vGS，柵極與N溝道間的電場(chǎng)將在溝道中吸引來更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。反之vGS為負(fù)時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵－源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負(fù)值，但是，前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0，vGS>0。
P溝道耗盡型MOSFET
P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。
結(jié)構(gòu)
不管可控硅的外形如何，它們的管芯都是由P型硅和N型硅組成的四層P1N1P2N2結(jié)構(gòu)。見下圖。它有三個(gè)PN結(jié)（J1、J2、J3），從J1結(jié)構(gòu)的P1層引出陽(yáng)極A，從N2層引出陰級(jí)K，從P2層引出控制極G，所以它是一種四層三端的半導(dǎo)體器件。
可控硅結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)圖
工作原理
可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個(gè)PN結(jié)，分析原理時(shí)，可以把它看作由一個(gè)PNP管和一個(gè)NPN管所組成，其等效圖解如下圖所示。
雙向可控硅：雙向可控硅是一種硅可控整流器件，也稱作雙向晶閘管。這種器件在電路中能夠?qū)崿F(xiàn)交流電的無(wú)觸點(diǎn)控制，以小電流控制大電流，具有無(wú)火花、動(dòng)作快、壽命長(zhǎng)、可靠性高以及簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。
從外表上看，雙向可控硅和普通可控硅很相似，也有三個(gè)電極。但是，它除了其中一個(gè)電極G仍叫做控制極外，另外兩個(gè)電極通常卻不再叫做陽(yáng)極和陰極，而統(tǒng)稱為主電極Tl和T2。它的符號(hào)也和普通可控硅不同，是把兩個(gè)可控硅反接在一起畫成的，如下圖2所示。
它的型號(hào)，在我國(guó)一般用“3CTS”或“KS”表示；國(guó)外的資料也有用“TRIAC”來表示的。雙向可控硅的規(guī)格、型號(hào)、外形以及電極引腳排列依生產(chǎn)廠家不同而有所不同，但其電極引腳多數(shù)是按T1、T2、G的顧序從左至右排列(觀察時(shí)，電極引腳向下，面對(duì)標(biāo)有字符的一面)。市場(chǎng)上最常見的幾種塑封外形結(jié)構(gòu)雙向可控硅的外形及電極引腳排列如下圖所示。
常用的有阻容移相橋觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體三極管觸發(fā)電路、利用小晶閘管觸發(fā)大晶閘管的觸發(fā)電路，等等。
可控硅的主要參數(shù)有：
1、 額定通態(tài)平均電流IT 在一定條件下，陽(yáng)極---陰極間可以連續(xù)通過的50赫茲正弦半波電流的平均值。
2、 正向阻斷峰值電壓VPF 在控制極開路未加觸發(fā)信號(hào)，陽(yáng)極正向電壓還未超過導(dǎo)能電壓時(shí)，可以重復(fù)加在可控硅兩端的正向峰值電壓。可控硅承受的正向電壓峰值，不能超過手冊(cè)給出的這個(gè)參數(shù)值。
3、 反向阻斷峰值電壓VPR 當(dāng)可控硅加反向電壓，處于反向關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，可以重復(fù)加在可控硅兩端的反向峰值電壓。使用時(shí)，不能超過手冊(cè)給出的這個(gè)參數(shù)值。
4、 觸發(fā)電壓VGT 在規(guī)定的環(huán)境溫度下，陽(yáng)極---陰極間加有一定電壓時(shí)，可控硅從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)所需要的最小控制極電流和電壓。
5、 維持電流IH 在規(guī)定溫度下，控制極斷路，維持可控硅導(dǎo)通所必需的最小陽(yáng)極正向電流。許多新型可控硅元件相繼問世，如適于高頻應(yīng)用的快速可控硅，可以用正或負(fù)的觸發(fā)信號(hào)控制兩個(gè)方向?qū)ǖ碾p向可控硅，可以用正觸發(fā)信號(hào)使其導(dǎo)通，用負(fù)觸發(fā)信號(hào)使其關(guān)斷的可控硅等等。
(1)轉(zhuǎn)移特性：柵極電壓對(duì)漏極電流的控制作用稱為轉(zhuǎn)移特性。
(2)輸出特性： UDS與ID的關(guān)系稱為輸出特性。
(3)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的放大作用：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的放大作用一般指的是電壓放大作用。
1：小功率塑封雙向可控硅通常用作聲光控?zé)艄庀到y(tǒng)。額定電流：IA小于2A。
2：大；中功率塑封和鐵封可控硅通常用作功率型可控調(diào)壓電路。像可調(diào)壓輸出直流電源等等。
3：大功率高頻可控硅通常用作工業(yè)中；高頻熔煉爐等。
場(chǎng)效應(yīng)管（fet）是電場(chǎng)效應(yīng)控制電流大小的單極型半導(dǎo)體器件。在其輸入端基本不取電流或電流極小，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中被應(yīng)用。
場(chǎng)效應(yīng)器件憑借其低功耗、性能穩(wěn)定、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在集成電路中已經(jīng)有逐漸取代三極管的趨勢(shì)。但它還是非常嬌貴的，雖然多數(shù)已經(jīng)內(nèi)置了保護(hù)二極管，但稍不注意，也會(huì)損壞。所以在應(yīng)用中還是小心為妙。
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