在电子电路里，我们会遇到各种各样的开关，例如继电器、振动子、二极管开关和三极管开关等。通过这些开关的协调动作，可以使电子电路完成各种控制功能。但是，它们一般都是用于接通或切断弱电信号的，对于强电来说就无能为力了。那么有没有一种用弱电信号可以控制强电系统的电子器件呢？
可控硅应运而生
六十年代初出现了一种能作强电控制的大功率半导体器件，就是通常所说的可控硅。有时也叫“晶体闸流管”或简称“晶闸管”。
可控硅实际上是一种可控的单向导电开关，它能在弱电信号的作用下，可靠地控制强电系统的各种电路，去完成人们预想的工作。
我国生产的可控硅主要有螺栓型和平板型的两种（图1）。螺栓型可控硅通过的电流较小，一般在几百安以下；平板型的电流大得多，最大可到千安以上。另外，还生产一些特殊用途的小功率可控硅，它们的电流就更小了。
可控硅有三个电极：一个是阳极A，一个是阴极K，还有一个就是控制极G，它的符号比普通的半导体二极管多一个控制极（图1c）。
既然可控硅是一种开关，它当然能起到接通和切断电路的作用，那么，它又是怎样完成这一通一断的控制作用的呢？为了说明这个问题，不妨先让我们做个实验。
首先将可控硅的阳极接反向电压，即把可控硅的阳极接到电源E\(_{a}\)的负端，阴极经指示灯L接电源的正端（图2a）。这时不管控制极接与不接电压，也不管接上什么样的电压，指示灯都不亮，说明可控硅没导通，电路中没有电流流通。可控硅的这种状态叫做反向阻断状态，这与普通二极管的反向截止有些相似。
然后，再将可控硅阳极接正向电压，即把可控硅阳极接到电源E\(_{a}\)的正端，阴极经指示灯接电源负端。这时根据控制极电压的不同，可以分为三种情况：第一种是控制极不接电压，结果指示灯不亮，可控硅仍不导通；第二种是控制极接上反向电压，也就是控制极接电源Eg的负端，阴极接E\(_{g}\)正端，结果指示灯也不亮，说明可控硅也没有导通。通常把可控硅阳极接正向电压而不导通的状态叫做正向阻断状态，这种状态是普通二极管所没有的。第三种是在控制极上接一个数值不大的正向电压（图2b），结果指示灯亮了，证明可控硅已经导通。
通过以上实验可以看出，可控硅的导通必须具备以下两个条件：第一、可控硅阳接接正向电压；第二、控制极同时接正向电压。
可控硅一旦导通之后，我们还发现：即使降低控制极电压甚至切断控制极的电源，可控硅也不阻断，而是继续导通，说明只要可控硅一导通，控制极就失去了控制作用。那么，怎样才能使可控硅从导通恢复到阻断状态呢？让我们按图3的电路做第二个实验。
图3中，可控硅导通后，即使把控制极电路断开，可控硅也还是导通的。现在调节电位器P, 逐渐降低阳极电压，从电流表上可以明显地看到可控硅的通态电流随着电压的降低而减少，当电流减少到一定程度时会突然降到零值，此后即使把阳极电压升高，电流也不会有明显的增加，这说明可控硅已经阻断。通常把维持可控硅导通所需要的最小通态电流叫做维持电流。可见，只要可控硅的通态电流小于维持电流, 它就会由导通进入阻断状态。
从以上一周一断的过程可以看到。没有控制极的帮助，可控硅是不容易导通的，但是一旦导通了，控制极就不起作用了。所以控制极只起着促使可控硅导通的作用。因为导通以后，控制极已不起作用，所以只有降低可控硅阳极电压和通态电流才能使它从导通变到阻断。
加到控制极的电压是很低的，一般只有几伏；控制极电流也是很小的，一般只有几到几百毫安。但是经过可控硅这个开关接通或断开的电流却可以很大，甚至可以大到千安以上，电压也可以高达几千伏。因此，从功率放大的角度来看，它的放大倍数竟可以大到万倍以上哩！利用可控硅的这种特性，我们可以象用一个杠杆、只需很小的力气便能撬起很重的物体那样，用极微弱的电信号去控制强电系统的各种电子电路。
由于可控硅有效率高、控制特性好、反应快、寿命长、体积小、重量轻、可靠性高、容易维护等优点，被广泛应用于电力、电子和控制等各个科技领域。可控硅为什么会有这样大的本领呢？让我们从内部揭示开它的奥秘。
内部的奥秘
可控硅的内部有一个管芯，管芯是用掺杂技术在很薄很薄的单晶硅片上制成的P\(_{1}\)-N1-P\(_{2}\)-N2四层叠合半导体（见图4a)。在每对P、N型半导体之间形成一个P-N结，因此共有J\(_{1}\)、J2，J\(_{3}\)三个P-N结。可控硅的三个电极分别是从P1引出阳极A、N\(_{2}\)引出阴极K、P2引出控制极G，因此，可控硅是一个四层三端半导体器件。
为了便于说明，我们可以把图4a看成是由两部分组成的（如图4b）。这样一来，左下部分正是一个NPN型三极管；右上部分则是一个PNP型三极管，因此可以把这两部分之间的关系用电路的形式来表示（图4c）。在这个电路中，两个三极管的集电极互为另一个三极管的基极。如果在控制极加上正向电压V\(_{G}\)，三极管BG1的基极便有控制电流I\(_{G}\)流通，而这个电流恰恰是BG1的基极电流，如果BG\(_{1}\)的电流放大倍数是β1，那么在BG\(_{1}\)集电极中就会产生一个放大的电流β1·I\(_{G}\)。这个电流又正是三极管BG2的基极电流，假设BG\(_{2}\)的电流放大倍数是β2，那么经过放大后，在BG\(_{2}\)的集电极中就会产生β2·β\(_{1}\)·IG的电流。这个电流又流入BG\(_{1}\)的基极，再经过放大……如此循环下去，形成强烈的正反馈，结果就使两个管子很快饱和导通，于是可控硅就进入导通状态。通常把这个过程叫做触发导通过程，把控制极所加的电压叫做触发电压, 由此而产生的电流叫做触发电流。
从以上分析可以看到，由于两个管子的这种特殊接法，当可控硅触发导通以后，BG\(_{1}\)的基极始终有BG2的集电极电流流过，所以即使去掉触发电压，管子也照样导通。因此控制极只是在刚接上触发电压的那一瞬间才起“触发”作用的。
当阳极加的是反向电压时，BG\(_{1}\)、BG2都处于反向电压，它们都失去放大作用，所以这时控制极不管加或不加电压，也不管加上什么样的电压，两个三极管都不导通，可控硅便处于阻断状态。
如果控制极不加电压或者加上的是反向电压，因为没有触发电流，所以尽管阳极上加的是正向电压，可控硅也仍然不能导通。
可见，可控硅的各种工作状态用图4的电路都能得到清楚的解释。这就是我们从可控硅内部结构中探索到的奥秘。但是，在实际应用中，要想做到合理使用可控硅，仅仅知道它的内部结构和工作原理是不够的，还必须了解它的外部特性。
伏安特性说明了什么
可控硅的外部特性，就是指阳极和阴极间所加的电压与电流之间的关系，一般都画成曲线的形式，所以又叫伏安特性曲线（图5）。
根据阳极电压极性的不同，又可以分成正向特性和反向特性。图5中第一象限的曲线就是正向特性；第三象限的曲线则是反向特性。
在正向特性时，由于阳极和阴极间加的是正向电压，三个PN结中的J\(_{1}\)、J3为正向偏置，J\(_{2}\)为反向偏置，所以可控硅处于正向阻断状态。这时阳极和阴极间呈现很大的电阻值，可控硅只流过很小的正向漏电流IDR，图5中的曲线A段反映了这一特性。
当正向电压增加到一定程度时，可控硅突然由阻断变成导通状态，表现在特性曲线上就是当电压增加到V\(_{BO}\)时，曲线突然从A段跳过虚线段B而进入曲线C段。导通以后的可控硅特性与二极管相似，这时绝大部分的电压都加到了负载上，而可控硅的管压降却很低，一般只有1伏左右。通常把VBO这个电压叫做正向转折电压，而把曲线A弯曲点的电压V\(_{DSM}\)叫做断态不重复峰值电压。
可控硅的正向特性说明它在不加触发电压的情况下，并非绝对不能导通，只要正向电压加大到V\(_{BO}\)的数值就可使可控硅因击穿而导通。但是，在实际应用中如果屡次出现这种情况却会毁坏可控硅，因此是不允许的。为了元件的安全，把断态不重复电压VDSM的80％作为正向电压的极限值，并把它叫做断态重复峰值电压，用V\(_{DRM}\)表示，使用时不能超过这个数值。
当阳极加上反向电压时，J\(_{2}\)结成为正向偏置，而J1、J\(_{3}\)结却是反向偏置，因此可控硅处于反向阻断状态，它的伏安特性便是第三象限的曲线。这时，阳极、阴极之间同样呈现很大的电阻，可控硅流过很小的反向漏电流IRR。但当反向电压升高到V\(_{RO}\)时，反向电流急剧增大，说明可控硅已被反向击穿，造成永久性损坏，这在实际使用中是绝对不能容许的。我们把电压VRO叫做反向击穿电压．而把曲线反向弯曲点上的电压V\(_{RSM}\)叫做反向不重复峰值电压，并把它的80％叫做反向重复峰值电压，用VRRM表示。在使用可控硅时，一定要保证它的反向电压最大值不超过这个数值。
如果在控制极上加上正向触发电压，可控硅的正向特性将随着触发信号的加入而发生变化：触发电流越大，正向转折电压就越低，可以得到一组伏安特性曲线如图6。例如某型号的可控硅，当I\(_{G}\)=0时，阳极正向电压必须升高到200伏，可控硅才导通；而当IG=15毫安时，阳极正向电压只需5伏就导通了。这就告诉我们，在实际应用时，只要允许，就应当尽量用大的触发电流，这样就能使可控硅可靠地导通。
从伏安特性还可以看出，一旦通态电流I\(_{a}\)降到低于维持电流IH时，可控硅就会由导通的C段跨过B段一跃恢复到正向阻断的A段。
从以上说明可以看到：可控硅不仅有可控的单向导电性能，而且还有用弱电信号去控制强电的特性，这是其它电子元件所没有的。(方波 杨金涛)