说实话，我正真接触可控硅时间并不长，以前我只知道这东西功能类似于继电器，主要控制AC负载的开关。什么BT136、BTA06、BTB06最初只是在自动麻将机里见过。由于一直是研究数字硬件编程还是个码农，对这些也不屑，视为粗物。先说说一些别的吧。
一次公司接到一个项目，这是第一次错过与可控硅亲密接触。项目是一个巨型的LED地埋钟，需要从高楼下往下看的，新加坡人的鬼创意，不过设想还是不错的。那时还没做名正言顺做技术总监，只不过刚开始主导一些项目，经验、威信和资历都不够强大。有一个老高级工程师还没退休，做配电柜设计是一把手，不过仅此而已。所里的这些工程师们基本都40-50岁的样子了，知识结构老化，年轻的，有半瓶子本事的都跳槽了。我那时一个20多的小伙也是因为天性使然，硬是在这群大叔们的眼皮底下，靠自己的能力一点一点地从被领导到领导他们。我的很多意见、方案被忽略、被认为是年轻人目光短浅、没有经验、好高骛远，直到事后才被真正认可。一来二去的，我说话才渐渐有了份量，而这个项目正发生在此期间。
甲方要求钟在日照下30米以上高楼可见，可以调节亮度，要应对工业区市电电压的大幅度变化。我们定好方案后才能预埋管道、预留坑位并、进行钢筋混凝土。先上个图吧，好解释。外圈直径约30米光景。
我管部分技术和编程，所以土建尺寸啥的都没参与，也没人问我。倒是总经理天天跟我讨论日光可见问题，颜色已经定了”黄色“，但2000年左右根本没有好的四元素黄色LED，除非进口。我只提了4点要求，1.发光强度必须大于5000CD/M2，最好8000以上；2.覆盖的玻璃必须有散射效果，或者LED排列足够密；3.LED集束管化、模块化，防水防潮，便于更换。4.发光坑内置的箱体不锈钢制作。这些要求看上去很不错吧，事实是没有一样达到初衷的。
首先是高亮度LED，算下来没法有进口的，成本太高（其实是可以用的，只是领导舍不得）。后来用了宁波的一家厂的黄色LED，发射角只有±20度，法向光强2000CD都不到，价格是进口的1/10，亮度指标只有1/4。这可以说是第一张烂牌，引发了后续的连锁反应。因为亮度不够，得多用1倍以上的LED，导致功率增加了一倍，但亮度仅有我预期的1/2，而且耗散热量增加了好几倍。
总经理自认为增加了LED是一张好牌，因为采购覆盖玻璃方便了。我原先要求找到透过率高的散射膜，夹在两块8mm的钢化玻璃之间，现在却变成了下面一张毛玻璃，上面一张透明玻璃，这是第二张烂牌。而且总经理为了追求光线均匀的效果将LED数量又增加50%，而且到现场使用一段时间以后毛玻璃沾上露水，基本上透明了，一粒粒LED看得清清楚楚。
前面说的那个高工又自告奋勇的枪了我的活，私自设计了集束管的PCB，让PCB厂加工去了，而且做了几千片，打出了第三张烂牌。我看到PCB图纸后大发雷霆，马上要求领导层开会。这个集束管采用了64个LED，8个串联再8个并联，问题在于串联回路里没有放电阻就并联了。每个LED的Vf曲线都是有微小区别的，8个串联后差异就会更大。没有接一个几十欧姆的电阻来均衡电流就并联，会导致Vf小的那一路电流会增大，直到Vf增长到与其他几路一样。通常F5单颗LED的最大工作电流被限定到20mA一下，超过15mA持续点亮，LED的寿命和亮度就会急剧下降。说理自然是我KO别人，但我无奈放的对那几千片不能用的PCB做了妥协（换作今天，我绝对不在妥协了），这妥协又带来了新的麻烦。为了让PCB能用，做PCBA的厂对线路做了手工切割，但没有放置限流电阻的位置，使成品集束管引出了9根线，并要外接8个电阻，再变成2根线，天一般的工作量。最终工程进度来不及了，大家加班了2周，又熬夜2天才勉强在甲方规定的期限内进场安装。
再说说不锈钢箱体，搞结构设计的是个退休返聘的高级工程师。我并没有要抹黑这些高级职称的前辈们，但是有一点是要指出的，各行如隔山，即使细小的不同也有很大的差异，有很多老人家知识没有更新，不会用CAD就算了,但与工厂生产实际脱节是设计不出好产品的。这个结构高工其实设计配电箱什么中规中矩的大家伙还是可以的，但小型电器就不太行了。要是我的话自己不行就集思广益，开源弄到合理的设想，自己细化即可。不锈钢强度很高，基本上没法攻牙上螺丝，用自攻螺丝固定的异形箱体，拆卸几次就散架了。说实话这个项目的箱体只需要做个空心马扎加个鞋盒一样的盖子就行了，不需要一颗自攻螺丝，可惜还是没人听。
说回控制线路，我的提议是联级传送信号，减少现场排线数量，并在每个箱子内装上联级线路。要是我一开始提议用可控硅控制开关，也许方案可以被接受，但我用了继电器。继电器维持电流不大，可吸合时产生的干扰十分巨大，连我自己都不能保证联级的可靠性，但如果用可控硅加光耦控制，干扰问题就解决了。另一个方案被各位高工和领导否定的原因是，传送市电主电缆断头接线的问题。由于第一张烂牌，LED用了原计划的3倍以上，整体功率从10多KW增加到了40KW，电缆需从2.5平方改成6平方，没有6平方的动力线被剪成一段段并头攻头防水连接的先例，就算是2.5平方的线，户外操作接十几个接头也是不容易的。本质上由于经验不够，自己又存在疑问，没办法用足够的理由说服大家，最终导致了一坨屎一样的设计上马了。最终现场的总接线坑里汇集了72条1平方的2芯线，没错没有护套！还有一个保险丝板和继电器箱，布满了像蛇群一样的电线。最终这个钟在我们有良心的后期维护下走了5年，每次维修象盗墓一样。而立项之初，我的期望是可以做成一个标志性的地标，如今成却了一堆垃圾。
总的来说上述的决策失误很常见，并不是中国独有的，刚愎自用的老外也多的是。这种项目做不好在于人和物都被局限在狭小的空间内，象是种在花盆里的树，不可能长得好。很多中国制造之殇往往是如此被动，初心是好的，也努力了，但就是做不好。
言归正题吧。一直没深入接触可控硅，跟我所接触的研发项目有很大关系。说句笑话，我一直害怕直接接触48V以上的高压。读初中的时候，年轻无知，弄了个电容降压的线路给碱性5号电池充电，结果一不小心短路了，整整一层十几户的电都断了（那时每家都不装空气开关，保险丝还是用电线代替的），电弧把铜片都烧化了。之后还有多次被电的经历，不过触电并不太痛苦，只是不太喜欢这种感觉。从此碰高压的东西就小心了，小心得过了头，连显像管电视都不敢修了，听说彩电高压包的电压更高，索性就不碰了。这些年来，开关电源、逆变器、整流器、背光高压板都是弱项，没太多实践经验。这类电子产品要是坏了，不是烟雾弥漫、火花乱闪就是黑乎乎的一片，不像数字电路，电不着人，用手那把镊子，还能测出虚焊。
就在近期我被一批国产可控硅弄惨了，而之前我还信心满满，因为几个研发项目下来终于把可控硅运用自如了。这批可控硅和以前我买的一样打着ST BTA41-600B的招牌，但价格便宜了15%，我认为是渠道关系。等加工完调试，驱动2KW白炽灯调光没有问题，但到了客户那，接上电机负载，就开始不受控制，电机飞车，概率大概75%以上。拿回30台，10片换上原装的BTA41-600B，10片换上原装的BTA26-600B，10片换上以前库存国产的BTA41-600B，再拿到客户那，29台都工作正常了，一台有轻微飞车，用的是库存国产的BTA41-600B。为了彻底弄清被整的原因，我给自己挖了个大坑，顺便也恶补了一下相关知识。
要了解可控硅先得说说半导体工艺。二极管三极管以及可控硅等的制造，都是在整块P型或N型的硅基片上进行的，并不是一层层那样叠起来的，有点象在黑土地上把一部分变成盐碱地，然后再把盐碱地的一部分变成黑土地，不是通常认为的一层层叠加往上盖房子哦，如下右图。
很多人以为物理上把一块P型和一块N型半导体象纸一样叠起来，连接处就可以构成PN结，这是不对的，产生这样的误解是因为教科书上是这样叙述的。呵呵，科学家往往都不是好作者，很多学术论文文笔都是晦涩难懂的。的确，这样说理论上是没错，微观结构上不可能有光滑的表面让他们完全接触，或者说接触效率过低且不稳定。实际中采用化学方法，比如在P型基材上的区域注入杂质，使得这部分区域变成N型，而他们之间的分界线是杂质渗透的终点，分界线是逐渐过渡的，且这两种材料100%接触的。在解决了半导体之间的连接后，还要解决半导体和金属之间的连接，这并不是我们在图上画条连接线这么简单。我弄了点简化的集成电路半导体工艺流程示意图，帮助理解，略去了一些MOS和集成电路的工艺，传统的二三极管要简单一些。
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PN结的原理，二极管还是好理解的，但对三极管一直是一知半解的，教科书的描述是一堆术语堆砌，语意也不通顺，当年教授和专业老师也没解释清楚（我估计他们也是没搞明白的）。还好现在有网络，我可以自己去伪存真。我把怎样去理解三极管的问题归为两个：
1)集电极和基极的PN结为何会发生反向导通，不是漏电流也不是反向击穿，而且集电极电流和基极电流基本成正比直到饱和。
2)集电极和基极与发射极和基极理论上都是PN结，但不能调换使用，调换后β值大幅度减小。
http://www.elecfans.com/news/dianzi/20160831433591_1.html，此文的作者和我有相同的想法，并自己做了解释。
以NPN型为例，为了能更好得说明问题，我没有按使用通常的教学图例，而是按半导体工艺结构画了示例。
三极管工作在线性区内时Ib很小，VBE也很小，不会大于0.7V的PN正向结击穿电压，形成了红色部分的耗尽区(DEPLETION ZONE)。此时施加VC，VC导致集电极和基极反向偏置，形成了绿色的耗尽区。很多书中提到三极管基极的区域厚度很薄，当VC足够大，红绿两个耗尽区得以接触重合。耗尽区重合之前Ib和Ic是漏电流，重合之后集电极和发射极之间没有了基极的阻挡，只有红色耗尽区的阻挡，如增大Ib使得红色耗尽区减小（变薄），此时Ic大小和两个耗尽区重合区域内的红色耗尽区大小成反比。同理增大VE也可使绿色耗尽区增大，Ic也随之增大。
当Ib或Ic增大到一定程度，即耗尽区重合区内电流达到最大，三极管就进入饱和工作范围。
应该说红色耗尽区帮助了电子穿越了基极到达绿色耗尽区，而绿色耗尽区增大了红色耗尽区吸收电子的能力，电子直接从发射极进入绿色耗尽区，再而被VC吸收，集电极和发射极便通行无阻了。
上述对耗尽区重合的阐述，很好的解释了三极管的工作原理，也能很好解释问题2)。绿色耗尽区比红色耗尽区大得多，如果将三极管集电极和发射极调换使用时（此时绿色耗尽区的厚薄决定Ic的大小），绿色耗尽区的漏电流Ib即比没调换时的红色耗尽区的漏电流Ib要大得多，但耗尽区重合的物理体积是一样的。显然如果Ic不变，需要的Ib却增大，β值就小了。
理解了三极管，就不用纠结可控硅的工作原理了。下图是是幅单向可控硅的等效原理图，一个PNPN的半导体组合为什么可以被看似随意的等效切割。事实上精确的等效图还有很多电阻和电容，为了简化，都被略去了。先要明确一个概念，半导体材料像一个特殊的电阻，同一材料内部任意两点间是有电阻的，所以叫半导体。这种切割表示法解释了可控硅内部的等效三极管不可能工作在放大状态，微小的IG像导火索引发了V2导通，Ic2是放大了βV2倍的IG，Ic2很大使得V1马上进入饱和状态，V1的饱和又把Ie1加入V2的基极，使V2也进入了饱和状态，此时就不需要IG。导通时V1和V2的发射极与基极同时也充当了功率二极管的作用。网络上很多图都忽略了电阻Rgk。Rgk可以说明很多问题，比如维持电流，比如触发电流。
我们前面讲了晶体管的工艺，材料特性相同的情况下，三极管的主要指标β值实际上由晶体管中的实际物理结构决定，因此材料、光绘设计和制造工艺决定了批量产品的大部分特性。通俗的来说：大家都知道同类电子元件，一个厂家会出很多型号，性能上下略有差异，实际上这些元件都是用相同材料硅片再相同工艺中的制作出来的。这个和兄弟姐妹长得总会不太一样类似，厂家会按类似“身高”、“体重”、“力量”等指标把这些兄弟姐妹分组，每组的组名就是这些元件的型号。有人会问，不是型号里还有A、B、C等档位嘛，对，不过这是在不影响该元件用途的前提下对某个指标的细分。因为指标过多，所以即使控制工艺，也不能避免这些指标指数级的相乘，产生几十种产品型号，实际上这些型号是同一种产品。
可控硅的Rgk主要由V2的性能和工艺决定。考量市面上的各种产品（以国外原厂元件为标准），会发现，小功率可控硅比如MCR100，1A左右的工作电流，Rgk在250-350欧姆左右；中功率可控硅BTA16，Rgk在90-130欧姆左右；大功率可控硅BTA41的Rgk在40-70欧姆左右；而100A以上的可控硅，Rgk在几欧欧姆-到十几欧姆左右。这个指标基本上是光绘工艺决定的。通过与原厂的产品对照，会发现大部分国产或伪冒可控硅的Rgk值，明显的有差异。比较多的情况是略偏小，比如以BTA41-600为例，大部分替代品的Rgk值在30-40欧姆左右。光凭这一点，使用万用表的欧姆档，基本上可以判别可控硅是否是原厂的，虽然不是绝对的（不排除存在可以假冒的情况）。为啥Rgk值会小，其实原因很简单，替代品为了大幅节省成本，采用缩小几倍面积的硅片，为了能控制和原厂产品标称相同的电流，不得不采用等效于增大G端PN节的面积的工艺。这个有点像拿几个小功率三极管并联代替一个大三极管。
我甚至可以猜测，原厂的同种可控硅，Rgk值越大，这个可控硅的品质越好。
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