全面解析可控硅與場(chǎng)效應管的區別-可控硅與場(chǎng)效應管知識大全-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-09-26
可控硅(Silicon Controlled Rectifier) 簡(jiǎn)稱(chēng)SCR，是一種大功率電器元件，也稱(chēng)晶閘管。它具有體積小、效率高、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。在自動(dòng)控制系統中，可作為大功率驅動(dòng)器件，實(shí)現用小功率控件控制大功率設備。它在交直流電機調速系統、調功系統及隨動(dòng)系統中得到了廣泛的應用。
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(chēng)TRIAC。雙向可控硅在結構上相當于兩個(gè)單向可控硅反向連接，這種可控硅具有雙向導通功能。其通斷狀態(tài)由控制極G決定。在控制極G上加正脈沖(或負脈沖)可使其正向(或反向)導通。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡(jiǎn)單，沒(méi)有反向耐壓?jiǎn)?wèn)題，因此特別適合做交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)使用。
場(chǎng)效應晶體管（Field Effect Transistor縮寫(xiě)(FET)）簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應管。主要有兩種類(lèi)型：結型場(chǎng)效應管（junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導體場(chǎng)效應管（metal-oxide semiconductor FET，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS-FET）。由多數載流子參與導電，也稱(chēng)為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件。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(méi)有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優(yōu)點(diǎn)，現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。
場(chǎng)效應管（FET）是利用控制輸入回路的電場(chǎng)效應來(lái)控制輸出回路電流的一種半導體器件，并以此命名。
由于它僅靠半導體中的多數載流子導電，又稱(chēng)單極型晶體管。
可控硅與場(chǎng)效應管的區別中結構也是大不相同的，現在來(lái)看看他們在結構上的區別。
MOS場(chǎng)效應三極管分為：增強型（又有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號見(jiàn)上圖。其中：電極 D（Drain） 稱(chēng)為漏極，相當雙極型三極管的集電極；
電極 G（Gate） 稱(chēng)為柵極，相當于的基極；
電極 S（Source）稱(chēng)為源極，相當于發(fā)射極。
N溝道增強型MOS場(chǎng)效應管結構
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，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，這就構成了一個(gè)N溝道增強型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數管子在出廠(chǎng)前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。
圖(a)、(b)分別是它的結構示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。
N溝道增強型MOS場(chǎng)效應管的工作原理
（1）vGS對iD及溝道的控制作用
① vGS=0 的情況
從圖1(a)可以看出，增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結。當柵——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結處于反偏狀態(tài)，漏——源極間沒(méi)有導電溝道，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）導電溝道的形成：
當vGS數值較小，吸引電子的能力不強時(shí)，漏——源極之間仍無(wú)導電溝道出現，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vGS達到某一數值時(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+區相連通，在漏——源極間形成N型導電溝道，其導電類(lèi)型與P襯底相反，故又稱(chēng)為反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導體表面的電場(chǎng)就越強，吸引到P襯底表面的電子就越多，導電溝道越厚，溝道電阻越小。
開(kāi)始形成溝道時(shí)的柵——源極電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓，用VT表示。
上面討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時(shí)，不能形成導電溝道，管子處于截止狀態(tài)。只有當vGS≥VT時(shí)，才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時(shí)才能形成導電溝道的MOS管稱(chēng)為增強型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iD的影響
如圖(a)所示，當vGS>VT且為一確定值時(shí)，漏——源電壓vDS對導電溝道及電流iD的影響與結型場(chǎng)效應管相似。
漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內各點(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vDS較?。╲DS），隨著(zhù)vDS的增大，靠近漏極的溝道越來(lái)越薄，當vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)時(shí)，溝道在漏極一端出現預夾斷，如圖2(b)所示。再繼續增大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，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區，iD幾乎僅由vGS決定。
N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應管的基本結構
（1）結構：
N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強型MOS管基本相似。
（2）區別：
耗盡型MOS管在vGS=0時(shí)，漏——源極間已有導電溝道產(chǎn)生，而增強型MOS管要在vGS≥VT時(shí)才出現導電溝道。
（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生成N溝道(稱(chēng)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(lái)更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。反之vGS為負時(shí)，溝道中感應的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當vGS負向增加到某一數值時(shí)，導電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱(chēng)為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵－源電壓稱(chēng)為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結型場(chǎng)效應管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負值，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(guò)導電的載流子不同，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。
結構
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結構。見(jiàn)下圖。它有三個(gè)PN結（J1、J2、J3），從J1結構的P1層引出陽(yáng)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。
可控硅結構示意圖和符號圖
工作原理
可控硅是P1N1P2N2四層三端結構元件，共有三個(gè)PN結，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(chēng)作雙向晶閘管。這種器件在電路中能夠實(shí)現交流電的無(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(cháng)、可靠性高以及簡(jiǎn)化電路結構等優(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，而統稱(chēng)為主電極Tl和T2。它的符號也和普通可控硅不同，是把兩個(gè)可控硅反接在一起畫(huà)成的，如下圖2所示。
它的型號，在我國一般用“3CTS”或“KS”表示；國外的資料也有用“TRIAC”來(lái)表示的。雙向可控硅的規格、型號、外形以及電極引腳排列依生產(chǎn)廠(chǎng)家不同而有所不同，但其電極引腳多數是按T1、T2、G的顧序從左至右排列(觀(guān)察時(shí)，電極引腳向下，面對標有字符的一面)。市場(chǎng)上最常見(jiàn)的幾種塑封外形結構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---陰極間可以連續通過(guò)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(kāi)路未加觸發(fā)信號，陽(yáng)極正向電壓還未超過(guò)導能電壓時(shí)，可以重復加在可控硅兩端的正向峰值電壓?？煽毓璩惺艿恼螂妷悍逯?，不能超過(guò)手冊給出的這個(gè)參數值。
3、 反向阻斷峰值電壓VPR 當可控硅加反向電壓，處于反向關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，可以重復加在可控硅兩端的反向峰值電壓。使用時(shí)，不能超過(guò)手冊給出的這個(gè)參數值。
4、 觸發(fā)電壓VGT 在規定的環(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)轉為導通狀態(tài)所需要的最小控制極電流和電壓。
5、 維持電流IH 在規定溫度下，控制極斷路，維持可控硅導通所必需的最小陽(yáng)極正向電流。許多新型可控硅元件相繼問(wèn)世，如適于高頻應用的快速可控硅，可以用正或負的觸發(fā)信號控制兩個(gè)方向導通的雙向可控硅，可以用正觸發(fā)信號使其導通，用負觸發(fā)信號使其關(guān)斷的可控硅等等。
(1)轉移特性：柵極電壓對漏極電流的控制作用稱(chēng)為轉移特性。
(2)輸出特性： UDS與ID的關(guān)系稱(chēng)為輸出特性。
(3)結型場(chǎng)效應管的放大作用：結型場(chǎng)效應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燈光系統。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壓電路。像可調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)效應管（fet）是電場(chǎng)效應控制電流大小的單極型半導體器件。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、熱穩定性好、制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在大規模和超大規模集成電路中被應用。
場(chǎng)效應器件憑借其低功耗、性能穩定、抗輻射能力強等優(yōu)勢，在集成電路中已經(jīng)有逐漸取代三極管的趨勢。但它還是非常嬌貴的，雖然多數已經(jīng)內置了保護二極管，但稍不注意，也會(huì )損壞。所以在應用中還是小心為妙。
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