目標

本實驗活動的目的是檢查硅控整流器(SCR)的結構和操作。SCR主要用在需要（在高電壓下）控制更高功率的器件中。SCR能夠開啟和關斷大電流，所以適合用于中高壓AC電源控制應用中，例如燈光調節、穩壓器和電機控制。此外，集成電路中可能無意形成SCR，當它們被觸發時，可能導致電路故障，甚至出現可靠性問題和造成損壞。

背景知識

SCR是一種4層固態電流控制器件，具有三個端子。它們和傳統二極管一樣具有陽極和陰極端子，第三個為控制端子，被稱為柵極。SCR是單向器件：只在一個方向傳輸電流，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；它兼具二極管的整流功能和晶體管的開/關控制功能；

一般用于電源開關應用。在常閉狀態下，該器件將電流限制為泄漏電流。當柵極到陰極的電流超過一定閾值時，該器件開啟并傳輸電流。只要通過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。一旦電流低于保持電流一段時間，器件就會關斷。如果柵極出現脈沖，并且通過器件的電流低于閉鎖電流，器件將保持關斷狀態。

圖1b顯示SCR的4層結構，我們可以看到3個端子：一個位于外部P型層上，稱為陽極A；第二個位于外部n型層上，稱為陰極K；第三個位于下部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可以視為兩個單獨的晶體管。SCR等效電路由一個PNP晶體管和一個NPN晶體管組成，兩個晶體管互相連接，如圖1d所示。我們可以看到，每個晶體管的集電極都連接到另一個晶體管的基極，形成一個正反饋回路。

SCR具有兩種穩定狀態。第一種，不導電的關斷狀態。在柵極端子開啟的情況下，我們先假設沒有電流流入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的集電極電流應為零。這與我們的初始假設（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，任何一個晶體管中的發射極電流也應為零。只要從發射極到集電極，通過Q1或Q2的任何泄漏電流非常小，這種零電流關斷狀態就會保持穩定。

第二種穩定狀態是導通狀態。可以通過將少量電流注入柵極端子，使SCR從關斷狀態轉換或切換至導通狀態。在這個回路中執行剛剛在關斷狀態下的相同步驟，我們可以看到，只要向Q2提供基極電流，就會有較大的集電極電流（是基極電流的?NPN倍）開始傳輸。這個Q2集電極電流將變成Q1的基極電流。Q1中的這個基極電流在Q1中產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，使其基極電流進一步增大。這個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SCR提供電流，SCR就會保持開啟狀態。關斷SCR的唯一方式是使電流降低至低于關鍵“保持”電流水平。

關于這個正反饋回路，有一點需要注意：只要滿足以下條件，SCR將會保持開啟狀態，并且會一直處于這種閉鎖狀態：

當SCR處于開啟狀態，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。我們知道，當集電極基極結正向偏置到飽和區域，即VCE小于VBE時，BJT器件的?下降。兩個晶體管的VCE會下降，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也較小，根據上述方程，如果泄漏電流足夠小，導致在這個低泄漏電流水平下，?PNP × ?NPN小于1，那么SCR會保持在關斷狀態。

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

材料

ADALM2000主動學習模塊

無焊試驗板

兩個1 k?電阻

兩個100 k?電阻

一個0.1 μF電容

一個小信號NPN晶體管(2N3904)

一個小信號PNP晶體管(2N3906)

說明

在無焊試驗板上構建圖2所示的SCR等效電路模型。

圖2.用于仿真SCR的電路。

兩個100 kΩ電阻R1和R2分別安裝在每個晶體管各自的VBE位置，確保任何小泄漏電流不會自行觸發仿真的SCR。電阻R3將來自AWG2的電壓脈沖轉換為觸發電流。

硬件設置

SCR的試驗板連接如圖3所示。

圖3.用于仿真SCR的電路試驗板連接。

程序步驟

AWG1應配置為正弦波，峰峰波幅為10 V，零偏移，頻率為100 Hz。AWG2應配置為方波，峰峰波幅為800 mV，400 mV偏移，頻率為 100 Hz。確保同時運行兩個AWG通道。

觸發通道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RL的電壓，按180°至360°步長調節AWG2的相位。根據AWG2的相位設置，得出的曲線可能如下圖所示。可以看到，通過RL的電壓為零，SCR處于關斷狀態，直到AWG2發出觸發脈沖，SCR一直處于開啟狀態，直到輸入正弦波電壓超過零。

圖4.波形示例。

圖5.Scopy波形示例。

當SCR處于開啟狀態并傳輸電流時，測量并報告通過SCR的壓降。

通過調節AWG2，找出可以觸發SCR的最小脈沖電壓（幅度）。根據此電壓R3和Q2的VBE，估算最小觸發電流。對結果進行說明。

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

使用0.1 μF電容替代電阻R3。該耦合電容充當微分器，將AWG輸出的方波脈沖轉變為方波的上升沿和下降沿上狹窄的正負尖峰電流。這會如何影響SCR的觸發時間和觸發方式？

集成電路中無意形成的寄生SCR

我們探討了利用SCR特性的應用。遺憾的是，集成電路中可能不希望形成SCR，如果這些SCR觸發，可能會導致電路故障，甚至導致集成電路產生可靠性問題和損壞。

閂鎖

閂鎖是一種潛在破壞性情況。這種情況會觸發一個寄生SCR，造成正負電源短路。如果電流不受限制，會發生電氣過應力。典型的閂鎖情況發生在CMOS輸出器件中，兩個寄生基極-發射極結之一在過壓事件期間暫時正向偏置時，驅動器晶體管和井會形成4層PNPN SCR結構。SCR開啟并實際上造成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，出現適當的外部激勵時，寄生SCR器件可能會開啟，這種情況在設計不良的CMOS電路中很常見。圖6是兩個晶體管的簡化截面圖，一個PMOS，一個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使用。寄生雙極晶體管負責進行閂鎖，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。

可以采用合適的設計方法減少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。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所需的最小觸發電流。

審核編輯：郭婷