SCR 특성 (SCR Characteristic

[이영권]

반도체

실험 7 : SCR 특성 (SCR Characteristic)

【 이론 】

보통의 스위칭 TR에서 ON상태의 내부저항을 낮게 하기 위해서는 콜렉터의 불순물농도를 높혀야 하는데 그러면 콜렉터의 역전압이 낮아진다. 이를 극복하기 위해 고역전압, 대전력용 스위칭 소자로 개발된 것이 그림 5-22(a)와 같이 4층구조와 3개 단자를 갖는 SCR(silicon controlled rectifier)이다. 이것을 사이리스터(thyristor)라고도 한다. 이러한 SCR은 게이트에 어느 정도 이상의 펄스전류를 흘려주어야만 애노드에서 캐소드로 순방향전류를 흘릴 수 있다(스위치 ON).

동작원리

SCR의 동작을 해석하기 위하여 그림 5-22(b)와 같이 중간의 두 층을 반으로 쪼개어 pnp TR과 npn TR가 접속된 것으로 생각하자.

⊙ 게이트가 접지되면

$$

Q_1

이 차단, 이 때

$$

I_CI = I_B2 = I_CO1

은

$$

Q_2

를 turn ON시키기에는 너무 작다. 즉

$$

V_GK = 0

에서 SCR은 OFF.

⊙ 게이트에 충분히 큰 +전압(보통 펄스)을 인가하면

$$

Q_1

이 turn ON,

$$

I_C1 = I_B2

가

$$

Q_2

를 turn ON,

$$

I_C2 = I_B1

은

$$

Q_1

을 더욱 turn ON시킨다. 즉,

$$

Q_1 , ~Q_2

루우프 내에서 정궤환(regeneration)이 일어나서 이 두 TR가 turn ON된다. 게이트에 전압이 인가되는 순간부터 SCR이 ON될 때까지의 시 간을 SCR의 turn ON 시간이라 하며 보통

$$

0.1 SIM 1 mu s

이다.

⊙ 일단 SCR이 turn ON되면 게이트전압을 제거해도 ON상태가 유지된다. SCR을 turn OFF시키려면 애 노드 전압을 0 또는 -로 구동해야 한다. turn OFF시간은

$$

1 SIM 30 mu s

이다.

⊙ 해석적으로 생각하면 ( 전류의 극성에 관해서는 그림 5-22(b)참조 )

$$

I_C1 = alpha _1 I + I_CO1 ,~~~ I_C2 = alpha _2 I + I_CO2

⊙

$$

Q_2

에 유입하는 전류, 즉 애노드전류 I는

$$

I = I_C1 + I_C2 = alpha _1 I + I_CO1 + alpha _2 I + I_CO2

$$

THEREFORE ~I = {I_CO1 + I_CO2} over {1 - ( alpha _1 + alpha _2 )}

게이트전류가 흐르면

$$

alpha

값이 증가하여

$$

alpha _1 + alpha _2

가 1에 이르면 애노드전류 I가 매우 크게 된다. 즉 SCR이 ON된다. 이와 같은 상태에서 게이트전류를 제거해도 SCR은 계속 ON 상태를 유지한다.

특성

그림 5-23(a)는 게이트전류를 0로 유지하고 애노드전압을 변화시킬 때의 애노드전류의 변화를 그렸다. 애노드전압을 -방향으로 증가시키면 SCR의 애버란시항복이 일어난다. +방향으로 증가시키면 OA영역에서는

$$

alpha _1 + alpha _2

가 작고 SCR은 역바이어스된 접합과 마찬가지로 동작한다. AB영역에서는

$$

alpha

값이 증가하여 breakover전압에서

$$

alpha _1 + alpha _2 = 1

에 이른다. 전류가 더 증가하면 SCR은 순방향으로 바이어스된 접합과 마찬가지로 동작한다. 즉 애노드전압이 급격히 떨어진 CD영역에서 동작한다. 이제 전류를 점 C에 대응하는 홀드전류(hold current)를

$$

I_H

이하로 감소시키면 동작점은 C에서 원점 0로 이동하여 SCR은 OFF된다.

게이트에 전류

$$

I_G

를 흘리면

$$

alpha

값이 증가되고 브레이크오우버 전압이 낮아진다(그림 5-23(b)). 보통 애노드전압을

$$

I_G = 0

시의 브레이크오우버 전압보다 낮게 걸고 게이트에 트리거신호를 걸어서 ON시킨다. 트리거 신호로서는 피이크전압 수 V, 피이크전류 수 mA ~ 수 10mA의 짧은 펄스를 쓴다.

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