SCR结构可控硅及闩锁效应

一、SCR可控硅介绍 
　　可控硅又称晶闸管(thyristor)，最早由美国贝尔实验室发明，是由三个及以上pn结组成、具有开关特性的半导体器件的总称，通常使用最多的是三端可控整流器，GTO晶闸管及双向硅可控整流器。具有栅极的三端可控硅叫做SCR(Semiconductor Controlled Rectifier 可控整流器)。 
SCR结构是在n型衬底(n1)两边用p杂质扩散形成p1、p2，然后在p2用n杂质形成n2区。上部p1区电极为阳极A, 下部n2区电极为阴极K，从p2区引出电极为栅极G。 
SCR工作原理： 
1，栅极开路时的情况 
(1)，加AK正电压，此时J1, J3正偏，J2反偏。电流几乎为0，处于截止状态。当正向电压加大，在结J2的耗尽层形成大的电场，产生雪崩击穿导致电流急剧增大到IH，处于导通状态。为了维持导通状态，电流必须大于IH，所以称IH为维持电流(holding current )，此时电压为维持电压( holding voltage )。 
(2)，加AK负电压，此时J1, J3反偏，J2正偏。电流几乎为0，处于截止状态。电压继续加大，产生反向击穿，其特性类似二极管反向特性，可理解为两个二极管串联时的反向击穿。

2，栅极控制作用

图(2) SCR 等效电路

　　在GK间加控制电流IG，电流方向如图(2)所示，并以等效电路来进行分析。并分别设定两个晶体管共基极电流放大系数为a1, a2 (以a 代替alpha) 则得到等式为： 
Ib1 = (1-a1)Ia – Ico1 
Ic2 = a2 Ik + Ico2 
式中：Ico1和Ico2分别为晶体管的反向饱和电流。由于 Ib1 = Ic2 
(1 - a1)Ia – Ico1 = a2 Ik + Ico2 
又因Ik = Ia + Ig 最后得出：Ia = (a2Ig + Ico1 + Ico2 )/ [1 – (a1 + a2) ] 
式中 Ico1 + Ico2 相当于结的反向饱和电流。

　　栅极开路时，Ig=0，a1+a2 ≈0, Ia = Ico1 + Ico2 。但如果有栅极电流Ig，不仅Ia 随着 Ig增大而增大 ，a1+a2 也无限接近于1，Ia的电流就会急剧增加，从而使得器件在低于转折电压时，处于导通状态。此时只要电流大于维持电流，即使去除栅极电流，器件还处于导通状态。也就是说器件一旦处于导通状态，栅极电流将不再起任何作用，进而不易控制，所以要从导通转换为截止状态，应使器件电流小于维持电流。 
可控硅器件的一些开关特性： 
1：陡变电压会使转折电压下降，电压变化率越大越容易导通。 
2：导通从栅极旁开始，如果电流上升时间过长，会损坏器件。 
3：导通时加反偏电压转换为截止状态，如果再加正向电压，会再次返回导通状态，必须加足够长时间的反向电压。

二、SCR闩锁效应模型

　　闩锁效应一旦发生，内部寄生SCR结构将被打开，并在VDD与VSS间形成低阻路径。结果就是产生大电流将器件损坏。如图交叉耦合晶体管模型中，有两个基本的触发条件：栅极电流和阳极与阴极间高电压。触发后其特征曲线类似可控硅导通状态，因为AK之间电压一直存在所以一旦导通电流将不受控制。

　　所以对可控硅进行改进，可在GK加反向脉冲电压，从而形成了电路断开(GTO)可控硅器件。

另外，这里也有一篇TI关于latch-up和ESD的技术文章，请下载参考：

Latch-Up, ESD, and Other Phenomena