Linh kiện có 4 lớp bán dẫn PNPNN và những linh kiện khác

Cấu tạo và đặc tính:

SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN (có 3 nối PN). Như tên gọi ta thấy SCR là một diode chỉnh lưu được kiểm soát bởi cổng silicium. Các tíêp xúc kim loại được tạo ra các cực Anod A, Catot K và cổng G.

AnodAKCatodGCổng(Gate)PNPNKCatodGCổng(Gate)NPNAnodAPNPCBECBEAAKKGIGIC2IC1IB2T1T2GCấu tạoMô hình tương đươngMô hình tương đươngKý hiệuHình 1

Nếu ta mắc một nguồn điện một chiều VAA vào SCR như hình sau. một dòng điện nhỏ IG kích vào cực cổng G sẽ làm nối PN giữa cực cổng G và catot K dẫn phát khởi dòng điện anod IA qua SCR lớn hơn nhiều. Nếu ta đổi chiều nguồn VAA (cực dương nối với catod, cục âm nối với anod) sẽ không có dòng điện qua SCR cho dù có dòng điện kích IG. Như vậy ta có thể hiểu SCR như một diode nhưng có thêm cực cổng G và để SCR dẫn điện phải có dòng điện kích IG vào cực cổng.

AKGCổng(Gate)PNPNRGVGGRAVAAIAIGVAKHình 2

Ta thấy SCR có thể coi như tương đương với hai transistor PNP và NPN liên kết nhau qua ngõ nền và thu

Khi có một dòng điện nhỏ IG kích vào cực nền của Transistor NPN T1 tức cổng G của SCR. Dòng điện IG sẽ tạo ra dòng cực thu IC1 lớn hơn, mà IC1 lại chính là dòng nền IB2 của transistor PNP T2 nên tạo ra dòng thu IC2 lại lớn hơn trước… Hiện tượng này cứ tiếp tục nên cả hai transistor nhanh chóng trở nên bảo hòa. Dòng bảo hòa qua hai transistor chính là dòng anod của SCR. Dòng điện này tùy thuộc vào VAA và điện trở tải RA.

Cơ chế hoạt động như trên của SCR cho thấy dòng IG không cần lớn và chỉ cần tồn tại trong thời gian ngắn. Khi SCR đã dẫn điện, nếu ta ngắt bỏ IG thì SCR vẫn tiếp tục dẫn điện, nghĩa là ta không thể ngắt SCR bằng cực cổng, đây cũng là một nhược điểm của SCR so với transistor.

Người ta chỉ có thể ngắt SCR bằng cách cắt nguồn VAA hoặc giảm VAA sao cho dòng điện qua SCR nhỏ hơn một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là dòng điện duy trì IH (hodding current).

Đặc tuyến Volt-Ampere của SCR:

Đặc tuyến này trình bày sự biến thiên của dòng điện anod IA theo điện thế anod-catod VAK với dòng cổng IG coi như thông số.

- Khi SCR được phân cực nghịch (điện thế anod âm hơn điện thế catod), chỉ có một dòng điện rỉ rất nhỏ chạy qua SCR.

- Khi SCR được phân cực thuận (điện thế anod dương hơn điện thế catod), nếu ta nối tắt (hoặc để hở) nguồn VGG (IG=0), khi VAK còn nhỏ, chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua SCR (trong thực tế người ta xem như SCR không dẫn điện), nhưng khi VAK đạt đền một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là điện thế quay về VBO thì điện thế VAK tự động sụt xuống khoảng 0,7V như diode thường. Dòng điện tương ứng bây giờ chính là dòng điện duy trì IH. Từ bây giờ, SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện và có đặc tuyến gần giống như diode thường.

Nếu ta tăng nguồn VGG để tạo dòng kích IG, ta thấy điện thế quay về nhỏ hơn và khi dòng kích IG càng lớn, điện thế quay về VBO càng nhỏ.

0IHIASCRDiode thườngVAK0,7VVBOIG = 0IG2 > IG1 > 0VBRHình 3

Các thông số của SCR:

Sau đây là các thông số kỹ thuật chính của SCR

- Dòng thuận tối đa:

Là dòng điện anod IA trung bình lớn nhất mà SCR có thể chịu đựng được liên tục. Trong trường hợp dòng lớn, SCR phải được giải nhiệt đầy đủ. Dòng thuận tối đa tùy thuộc vào mỗi SCR, có thể từ vài trăm mA đến hàng trăm Ampere.

- Điện thế ngược tối đa:

Đây là điện thế phân cực nghịch tối đa mà chưa xảy ra sự hủy thác (breakdown). Đây là trị số VBR ở hình trên. SCR được chế tạo với điện thế nghịch từ vài chục volt đến hàng ngàn volt.

- Dòng chốt (latching current):

Là dòng thuận tối thiểu để giữ SCR ở trạng thái dẫn điện sau khi SCR từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn. Dòng chốt thường lớn hơn dòng duy trì chút ít ở SCR công suất nhỏ và lớn hơn dòng duy trì khá nhiều ở SCR có công suất lớn.

- Dòng cổng tối thiểu (Minimun gate current):

Như đã thấy, khi điện thế VAK lớn hơn VBO thì SCR sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện mà không cần dòng kích IG. Tuy nhiên trong ứng dụng, thường người ta phải tạo ra một dòng cổng để SCR dẫn điện ngay. Tùy theo mỗi SCR, dòng cổng tối thiểu từ dưới 1mA đến vài chục mA. Nói chung, SCR có công suất càng lớn thì cần dòng kích lớn. Tuy nhiên, nên chú ý là dòng cổng không được quá lớn, có thể làm hỏng nối cổng-catod của SCR.

- Thời gian mở (turn – on time):

Là thời gian từ lúc bắt đầu có xung kích đến lúc SCR dẫn gần bảo hòa (thường là 0,9 lần dòng định mức). Thởi gian mở khoảng vài S. Như vậy, thời gian hiện diện của xung kích phải lâu hơn thời gian mở.

- Thời gian tắt (turn – off time):

Để tắt SCR, người ta giảm điện thế VAK xuống 0Volt, tức dòng anod cũng bằng 0. Thế nhưng nếu ta hạ điện thế anod xuống 0 rồi tăng lên ngay thì SCR vẫn dẫn điện mặc dù không có dòng kích. Thời gian tắt SCR là thời gian từ lúc điện thế VAK xuống 0 đến lúc lên cao trở lại mà SCR không dẫn điện trở lại. Thời gian này lớn hơn thời gian mở, thường khoảng vài chục S. Như vậy, SCR là linh kiện chậm, hoạt động ở tần số thấp, tối đa khoảng vài chục KHz.

- Tốc độ tăng điện thế dv/dt:

AKGCRHình 4Ta có thể làm SCR dẫn điện bằng cách tăng điện thế anod lên đến điện thế quay về VBO hoặc bằng cách dùng dòng kích cực cổng. Một cách khác là tăng điện thế anod nhanh tức dv/dt lớn mà bản thân điện thế V anod không cần lớn. Thông số dv/dt là tốc độ tăng thế lớn nhất mà SCR chưa dẫn, vượt trên vị trí này SCR sẽ dẫn điện. Lý do là có một điện dung nội Cb giữa hai cực nền của transistor trong mô hình tương đương của SCR. dòng điện qua tụ là: icb=CbdVdt size 12{i rSub { size 8{ ital "cb"} } =C rSub { size 8{b} } { { ital "dV"} over { ital "dt"} } } {}. Dòng điện này chạy vào cực nền của T1. Khi dV/dt đủ lớn thì icb lớn đủ sức kích SCR. Người ta thường tránh hiện tượng này bằng cách mắc một tụ C và điện trở R song song với SCR để chia bớt dòng icb.

- Tốc độ tăng dòng thuận tối đa di/dt:

Đây là trị số tối đa của tốc độ tăng dòng anod. Trên trị số này SCR có thể bị hư. Lý do là khi SCR chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, hiệu thế giữa anod và catod còn lớn trong lúc dòng điện anod tăng nhanh khiến công suất tiêu tán tức thời có thể quá lớn. Khi SCR bắt đầu dẫn, công suất tiêu tán tập trung ở gần vùng cổng nên vùng này dễ bị hư hỏng. Khả năng chịu đựng của di/dt tùy thuộc vào mỗi SCR.

SCR hoạt động ở điện thế xoay chiều

Khi SCR hoạt động ở điện thế xoay chiều tần số thấp (thí dụ 50Hz hoặc 60Hz) thì vấn đề tắt SCR được giải quyết dễ dàng. Khi không có xung kích thì mạng điện xuống gần 0V, SCR sẽ ngưng. Dĩ nhiên ở bán kỳ âm SCR không hoạt động mặc dù có xung kích.

Tải L~IG220V/50HzIGV TảiGóc dẫnSCR ngưngSCR dẫnHình 5V

Để tăng công suất cho tải, người ta cho SCR hoạt động ở nguồn chỉnh lưu toàn kỳ.

Tải L~IG220V/50HzIGV TảiGóc dẫnHình 6

Vì điện 50Hz có chu kỳ T=1/50=20nS nên thời gian điện thế xấp xỉ 0V đủ làm ngưng SCR.

Vài ứng dụng đơn giản:

220V/50HzĐược chọn tùy theo dòng nạp accu+-Hình 7Mạch đèn khẩn cấp khi mất điện:

Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu. Lúc này SCR ngưng dẫn do bị phân cực nghịch, accu được nạp qua D1, R1. Khi mất điện, nguồn điện accu sẽ làm thông SCR và thắp sáng đèn.

Mạch nạp accu tự động (trang sau)

+-R1 47 2WR2 47 2WVZ = 11VR4 47 2WVR 7502WHình 8~220V6V

- Khi accu nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng

- Khi accu đã nạp đầy, điện thế cực dương lên cao, kích SCR2 làm SCR2 dẫn, chia bớt dòng nạp bảo vệ accu.

- VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dòng nạp)

Cấu tạo và đặc tính của UJT:

n-pB2B1NềnNềnEPhátEB2B1EB1B2Hình 24Hình sau đây mô tả cấu tạo đơn giản hoá và ký hiệu của UJT

Một thỏi bán dẫn pha nhẹ loại n­- với hai lớp tiếp xúc kim loại ở hai đầu tạo thành hai cực nền B1 và B2. Nối PN được hình thành thường là hợp chất của dây nhôm nhỏ đóng vai trò chất bán dẫn loại P. Vùng P này nằm cách vùng B1 khoảng 70% so với chiều dài của hai cực nền B1, B2. Dây nhôm đóng vai trò cực phát E.

Mạch tương đương của UJTIEREEEHình 25Hình sau đây trình bày cách áp dụng điện thế một chiều vào các cực của UJT để khảo sát các đặc tính của nó.

- Khi chưa áp VEE vào cực phát E (cực phát E để hở) thỏi bán dẫn là một điện trở với nguồn điện thế VBB, được ký hiệu RBB và gọi là điện trở liên nền (thường có trị số từ 4 K đến 10 K). Từ mô hình tương đương ta thấy Diod được dùng để diễn tả nối P-N giữa vùng P và vùng n-. Điện trở RB1 và RB2 diễn tả điện trở của thỏi bán dẫn n-. Như vậy: RBB=RB1+RB2∣IE=0 size 12{R rSub { size 8{ ital "BB"} } =R rSub { size 8{B1} } +R rSub { size 8{B2} } line rSub { size 8{I rSub { size 6{E} } =0} } } {}

Vậy điện thế tại điểm A là:

V A = R B1 R B1 + R B2 V BB = η . V BB > 0 size 12{V rSub { size 8{A} } = { {R rSub { size 8{B1} } } over {R rSub { size 8{B1} } +R rSub { size 8{B2} } } } V rSub { size 8{ ital "BB"} } " "=" "η "." V rSub { size 8{"BB"} } >" 0"} {}

Trong đó: η=RB1RB1+RB2=RB1RBB size 12{η= { {R rSub { size 8{B1} } } over {R rSub { size 8{B1} } +R rSub { size 8{B2} } } } = { {R rSub { size 8{B1} } } over {R rSub { size 8{ ital "BB"} } } } } {}được gọi là tỉ số nội tại (intrinsic stand – off) RBB và  được cho bởi nhà sản xuất.

- Bây giờ, ta cấp nguồn VEE vào cực phát và nền B1 (cực dương nối về cực phát). Khi VEE=0V (nối cực phát E xuống mass), vì VA có điện thế dương nên Diod được phân cực nghịch và ta chỉ có một dòng điện rỉ nhỏ chạy ra từ cực phát. tăng VEE lớn dần, dòng điện IE bắt đầu tăng theo chiều dương (dòng rỉ ngược IE giảm dần, và triệt tiêu, sau đó dương dần). Khi VE có trị số

VE=VD+VA

VE=0,5V +  VB2B1 (ở đây VB2B1 = VBB) thì Diod phân cực thậun và bắt đầu dẫn điện mạnh.

Vùng điện trở âm0VEIEVPVVIPIV0ĐỉnhThung lũngVEIEVPIV0VVHình 26Điện thế VE=0,5V +  VB2B1=VP được gọi là điện thế đỉnh (peak-point voltage) của UJT.

Khi VE=VP, nối P-N phân cực thuận, lỗ trống từ vùng phát khuếch tán vào vùng n- và di chuyển đến vùng nền B1, lúc đó lỗ trống cũng hút các điện tử từ mass lên. Vì độ dẫn điện của chất bán dẫn là một hàm số của mật độ điện tử di động nên điện trở RB1 giảm. Kết quả là lúc đó dòng IE tăng và điện thế VE giảm. Ta có một vùng điện trở âm.

Điện trở động nhìn từ cực phát E trong vùng điện trở âm là: rd=−ΔVEΔIE size 12{r rSub { size 8{d} } = - { {ΔV rSub { size 8{E} } } over {ΔI rSub { size 8{E} } } } } {}

Khi IE tăng, RB1 giảm trong lúc RB2 ít bị ảnh hưởng nên điện trở liên nền RBB giảm. Khi IE đủ lớn, điện trở liên nền RBB chủ yếu là RB2. Kết thúc vùng điện trở âm là vùng thung lũng, lúc đó dòng IE đủ lớn và RB1 quá nhỏ không giảm nữa (chú ý là dòng ra cực nền B1) gồm có dòng điện liên nền IB cộng với dòng phát IE ) nên VE không giảm mà bắt đầu tăng khi IE tăng. Vùng này được gọi là vùng bảo hòa.

Như vây ta nhận thấy:

- Dòng đỉnh IP là dòng tối thiểu của cực phát E để đặt UJT hoạt động trong vùng điện trở âm. Dòng điện thung lũng IV là dòng điện tối đa của IE trong vùng điện trở âm.

- Tương tự, điện thế đỉnh VP là điện thế thung lũng VV là điện thế tối đa và tối thiểu của VEB1 đặt UJT trong vùng điện trở âm.

Trong các ứng dụng của UJT, người ta cho UJT hoạt động trong vùng điện trở âm, muốn vậy, ta phải xác định điện trở RE để IP<IE<IV

QVEB1IE0VEB1IE0IPIVVVVPVBB > VPREmaxREminHình 27Thí dụ trong mạch sau đây, ta xác định trị số tối đa và tối thiểu của RE

Ta có: REmax=−ΔVΔI=−VBB−VP0−IP=VBB−VPIP size 12{R rSub { size 8{E"max"} } = - { {ΔV} over {ΔI} } = - { {V rSub { size 8{ ital "BB"} } - V rSub { size 8{P} } } over {0 - I rSub { size 8{P} } } } = { {V rSub { size 8{ ital "BB"} } - V rSub { size 8{P} } } over {I rSub { size 8{P} } } } } {}

Và REmin=−ΔVΔI=−VBB−VV0−IV=VBB−VVIV size 12{R rSub { size 8{E"min"} } = - { {ΔV} over {ΔI} } = - { {V rSub { size 8{ ital "BB"} } - V rSub { size 8{V} } } over {0 - ital "IV"} } = { {V rSub { size 8{ ital "BB"} } - V rSub { size 8{V} } } over {I rSub { size 8{V} } } } } {}

Như vậy: VBB−VVIV≤RE≤VBB−VPIP size 12{ { {V rSub { size 8{ ital "BB"} } - V rSub { size 8{V} } } over {I rSub { size 8{V} } } } <= R rSub { size 8{E} } <= { {V rSub { size 8{ ital "BB"} } - V rSub { size 8{P} } } over {I rSub { size 8{P} } } } } {}

Các thông số kỹ thuật của UJT và vấn đề ổn định nhiệt cho đỉnh:

Sau đây là các thông số của UJT:

- Điện trở liên nền RBB: là điện trở giữa hai cực nên khi cực phát để hở. RBB tăng khi nhiệt độ tăng theo hệ số 0,8%/1oC

- Tỉ số nội tại: η=RB1RB1+RB2=RB1RBB size 12{η= { {R rSub { size 8{B1} } } over {R rSub { size 8{B1} } +R rSub { size 8{B2} } } } = { {R rSub { size 8{B1} } } over {R rSub { size 8{ ital "BB"} } } } } {} Tỉ số này cũng được định nghĩa khi cực phát E để hở.

- Điện thế đỉnh VP và dòng điện đỉnh IP. VP giảm khi nhiệt độ tăng vì điện thế ngưỡng của nối PN giảm khi nhiệt độ tăng. Dòng IP giảm khi VBB tăng.

- Điện thế thung lũng VV và dòng điện thung lũng IV. Cả VV và IV đều tăng khi VBB tăng.

- Điện thế cực phát bảo hòa VEsat: là hiệu điện thế giữa cực phát E và cực nền B1 được đo ở IE=10mA hay hơn và VBB ở 10V. Trị số thông thường của VEsat là 4 volt (lớn hơn nhiều so với diod thường).

Ổn định nhiệt cho đỉnh: Điện thế đỉnh VP là thông số quan trọng nhất của UJT. Như đã thấy, sự thay đổi của điện thế đỉnh VP chủ yếu là do điện thế ngưỡng của nối PN vì tỉ số  thay đổi không đáng kể.

Hình 28Người ta ổn định nhiệt cho VP bằng cách thêm một điện trở nhỏ R2 (thường khoảng vài trăm ohm) giữa nền B2 và nguồn VBB. Ngoài ra người ta cũng mắc một điện trở nhỏ R1 cũng khoảng vài trăm ohm ở cực nền B1 để lấy tín hiệu ra.

Khi nhiệt độ tăng, điện trở liên nền RBB tăng nên điện thế liên nền VB2B1 tăng. Chọn R2 sao cho sự tăng của VB2B1 bù trừ sự giảm của điện thế ngưỡng của nối PN. Trị của R2 được chọn gần đúng theo công thức: R2≈(0,4→0,8)RBBηVBB size 12{R rSub { size 8{2} } approx { { ( 0,4 rightarrow 0,8 ) R rSub { size 8{ ital "BB"} } } over {ηV rSub { size 8{ ital "BB"} } } } } {}

Ngoài ra R2 còn phụ thuộc vào cấu tạo của UJT. Trị chọn theo thực nghiệm khoảng vài trăm ohm.

Ứng dụng đơn giản của UJT:

Mạch dao động thư giãn (relaxation oscillator)

VEtVC1 = VP0C1 nạpC1 xã (rất nhanh)VB2VB1VEtttVPVVHình 29Người ta thường dùng UJT làm thành một mạch dao động tạo xung. Dạng mạch và trị số các linh kiện điển hình như sau:

Khi cấp điện, tụ C1 bắt đầu nạp điện qua điện trở RE. (Diod phát-nền 1 bị phân cực nghịch, dòng điện phát IE xấp xỉ bằng không). Điện thế hai đầu tụ tăng dần, khi đến điện thế đỉnh VP, UJT bắt đều dẫn điện. Tụ C1 phóng nhanh qua UJT và điện trở R1. Điện thế hai đầu tụ (tức VE) giảm nhanh đến điện thế thung lũng VV. Đến đây UJT bắt đầu ngưng và chu kỳ mới lập lại.

Hình 30220V/50HzTải* Dùng UJT tạo xung kích cho SCR

- Bán kỳ dương nếu có xung đưa vào cực cổng thì SCR dẫn điện. Bán kỳ âm SCR ngưng.

- Điều chỉnh góc dẫn của SCR bằng cách thay đổi tần số dao động của UJT.