晶閘管的結(jié)構(gòu)以及工作原理

1、一、晶閘管的基本結(jié)構(gòu)晶閘管（SemiconductorControlled Rectifier簡(jiǎn)稱SCR）是一種四層結(jié)構(gòu)（PNPN）的大功率半導(dǎo)體器件,它同時(shí)又被稱作可控整流器或可控硅元件。它有三個(gè)引出電極，即陽極（A）、陰極（K）和門極（G）。其符號(hào)表示法和器件剖面圖如圖1所示。圖1 符號(hào)表示法和器件剖面圖普通晶閘管是在N型硅片中雙向擴(kuò)散P型雜質(zhì)（鋁或硼），形成結(jié)構(gòu)，然后在的大部分區(qū)域擴(kuò)散N型雜質(zhì)（磷或銻）形成陰極，同時(shí)在上引出門極，在區(qū)域形成歐姆接觸作為陽極。圖2、晶閘管載流子分布二、晶閘管的伏安特性晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷兩個(gè)狀態(tài)是由陽極電壓、陽極電流和門極電流共同決定的。通常用伏安特性曲線來描

2、述它們之間的關(guān)系，如圖3所示。圖3 晶閘管的伏安特性曲線當(dāng)晶閘管加正向電壓時(shí)，和正偏，反偏，外加電壓幾乎全部降落在結(jié)上，結(jié)起到阻斷電流的作用。隨著的增大，只要，通過陽極電流都很小，因而稱此區(qū)域?yàn)檎蜃钄酄顟B(tài)。當(dāng)增大超過以后，陽極電流突然增大，特性曲線過負(fù)阻過程瞬間變到低電壓、大電流狀態(tài)。晶閘管流過由負(fù)載決定的通態(tài)電流，器件壓降為1V左右，特性曲線CD段對(duì)應(yīng)的狀態(tài)稱為導(dǎo)通狀態(tài)。通常將及其所對(duì)應(yīng)的稱之為正向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。晶閘管導(dǎo)通后能自身維持同態(tài)，從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)，通常是不用門極信號(hào)而是由外部電路控制，即只有當(dāng)電流小到稱為維持電流的某一臨界值以下，器件才能被關(guān)斷。當(dāng)晶閘管處于斷態(tài)（）時(shí)，如果

3、使得門極相對(duì)于陰極為正，給門極通以電流，那么晶閘管將在較低的電壓下轉(zhuǎn)折導(dǎo)通。轉(zhuǎn)折電壓以及轉(zhuǎn)折電流都是的函數(shù)，越大，越小。如圖3所示，晶閘管一旦導(dǎo)通后，即使去除門極信號(hào)，器件仍然然導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管的陽極相對(duì)于陰極為負(fù)，只要，很小，且與基本無關(guān)。但反向電壓很大時(shí)（），通過晶閘管的反向漏電流急劇增大，表現(xiàn)出晶閘管擊穿，因此稱為反向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。三、晶閘管的靜態(tài)特性晶閘管共有3個(gè)PN結(jié)，特性曲線可劃分為（01）阻斷區(qū)、（12）轉(zhuǎn)折區(qū)、（23）負(fù)阻區(qū)及（34）導(dǎo)通區(qū)。如圖5所示。（一）正向工作區(qū)1、正向阻斷區(qū)（01）區(qū)域 當(dāng)AK之間加正向電壓時(shí)，和結(jié)承受正向電壓，而結(jié)承受反向電壓，外加電壓幾乎全部落

4、在結(jié)身上。反偏結(jié)起到阻斷電流的作用，這時(shí)晶閘管是不導(dǎo)通。2、雪崩區(qū)（12也稱轉(zhuǎn)折區(qū)） 當(dāng)外加電壓上升接近結(jié)的雪崩擊穿電壓時(shí)，反偏結(jié)空間電荷區(qū)寬度擴(kuò)展的同時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)也大大增強(qiáng)，從而引起倍增效應(yīng)加強(qiáng)。于是，通過結(jié)的電流突然增大，并使得流過器件的電流也增大。此時(shí)，通過結(jié)的電流，由原來的反向電流轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕珊徒Y(jié)注入的載流子經(jīng)過基區(qū)衰減而在結(jié)空間電荷區(qū)倍增了的電流，這就是電壓增加，電流急劇增加的雪崩區(qū)。因此區(qū)域發(fā)生特性曲線轉(zhuǎn)折，故稱轉(zhuǎn)折區(qū)。3、負(fù)載區(qū)（23）當(dāng)外加電壓大于轉(zhuǎn)折電壓時(shí)候，結(jié)空間電荷區(qū)雪崩倍增所產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，受到反向電場(chǎng)的抽取作用，電子進(jìn)入?yún)^(qū)，空穴進(jìn)入?yún)^(qū)，由于不能很快的復(fù)合，所以造成

5、結(jié)兩側(cè)附近發(fā)生載流子積累：空穴在區(qū)、電子在區(qū)，補(bǔ)償離化雜質(zhì)電荷，使得空間電荷區(qū)變窄。由此使得區(qū)電位升高、區(qū)電位下降，起了抵消外電場(chǎng)作用。隨著結(jié)上外加電壓下降，雪崩倍增效效應(yīng)也隨之減弱。另一方面和結(jié)的正向電壓卻有所增強(qiáng)，注入增加，造成通過結(jié)的電流增大，于是出現(xiàn)了電流增加電壓減小的負(fù)阻現(xiàn)象。4、低阻通態(tài)區(qū)（34）如上所述，倍增效應(yīng)使得結(jié)兩側(cè)形成電子和空穴的積累，造成結(jié)反偏電壓減??；同時(shí)又使得和結(jié)注入增強(qiáng)，電路增大，因而結(jié)兩側(cè)繼續(xù)有電荷積累，結(jié)電壓不斷下降。當(dāng)電壓下降到雪崩倍增停止以后，結(jié)電壓全部被抵銷后，結(jié)兩側(cè)仍有空穴和電子積累，結(jié)變?yōu)檎?。此時(shí)、和結(jié)全部正偏，器件可以通過大電流，因?yàn)樘幱诘妥柰☉B(tài)

6、區(qū)。完全導(dǎo)通時(shí)，其伏安特性曲線與整流元件相似。（二）反向工作區(qū)（05）器件工作在反向時(shí)候，和結(jié)反偏，由于重?fù)诫s的結(jié)擊穿電壓很低，結(jié)承受了幾乎全部的外加電壓。器件伏安特性就為反偏二極管的伏安特性曲線。因此，PNPN晶閘管存在反向阻斷區(qū)，而當(dāng)電壓增大到結(jié)擊穿電壓以上，由于雪崩倍增效應(yīng)，電流急劇增大，此時(shí)晶閘管被擊穿。圖4 晶閘管的門極電流對(duì)電流電壓特性曲線的影響四、晶閘管的特性方程一個(gè)PNPN四層結(jié)構(gòu)的兩端器件，可以看成電流放大系數(shù)分別為和的和晶體管，其中結(jié)為共用集電結(jié)，如圖6所示。當(dāng)器件加正向電壓時(shí)。正偏結(jié)注入空穴經(jīng)過區(qū)的輸運(yùn)，到達(dá)集電極結(jié)（）空穴電流為；而正偏的結(jié)注入電子，經(jīng)過區(qū)的輸運(yùn)到達(dá)結(jié)的

7、電流為。由于結(jié)處于反向，通過結(jié)的電流還包括自身的反向飽和電流。由圖6可知，通過結(jié)的電流為上述三者之和，即 （1）假定發(fā)射效率，根據(jù)電流連續(xù)性原理，所以公式（1）變成： （2）公式說明，當(dāng)正向電壓小于結(jié)的雪崩擊穿電壓，倍增效應(yīng)很小，注入電流也很小，所以和也很小，故有 （3）此時(shí)的也很小。所以和結(jié)正偏，所以增加只能使結(jié)反偏壓增大，并不能使及增加很多，因而器件始終處于阻斷狀態(tài)，流過器件的電流與同一數(shù)量級(jí)。因此將公式（3）稱為阻斷條件。當(dāng)增加使得結(jié)反偏壓增大而發(fā)生雪崩倍增時(shí)候，假定倍增因子，則、和都將增大M倍，故（2）變成 （4）此時(shí)分母變小，將隨的增長(zhǎng)而迅速增加，所以當(dāng) （5）便達(dá)到雪崩穩(wěn)定狀態(tài)極限

8、（），電流將趨于無窮大，因此（5）式稱為正向轉(zhuǎn)折條件。準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)折點(diǎn)條件，是根據(jù)特性曲線下降段的起點(diǎn)來標(biāo)志轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這點(diǎn)，現(xiàn)在利用這個(gè)特點(diǎn)，由特性曲線方程式（4）推導(dǎo)轉(zhuǎn)折點(diǎn)條件。因?yàn)楹褪请娏鞯暮瘮?shù)，M是的函數(shù)，可近似用，為常數(shù)，對(duì)（4）求導(dǎo)，計(jì)算結(jié)果是 （6）由于轉(zhuǎn)折電壓低于擊穿電壓，故為一恒定值。分母也為恒定值，由于，分子也必須為零，可得到 （7）根據(jù)晶體管直流電壓放大系數(shù)的定義， （8）即可得到小信號(hào)電流放大系數(shù) （9）利用公式（9）可把公式（7）變?yōu)?（10）即在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，倍增因子與小信號(hào)之和的乘積剛好為1。PNPN結(jié)構(gòu)只要滿足上式，便具有開關(guān)特性，即可以從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。由于是隨著電流變化

9、的，當(dāng)增大，和都隨之增大。由此可知，在電流較大時(shí)，滿足（6）的M值反而可以減小。這說明增大，相應(yīng)減小，這正是圖5中曲線（23）所示的負(fù)阻段。既是電流的函數(shù)名同時(shí)也是集電結(jié)電壓的函數(shù)，當(dāng)一定時(shí)電流增大則相應(yīng)的集電結(jié)反偏壓減小。當(dāng)電流很大，會(huì)出現(xiàn) （6）根據(jù)方程（2），結(jié)提供一個(gè)通態(tài)電流（）。因此結(jié)必須正偏，于是、和結(jié)全部正偏，器件處于導(dǎo)通。這便是圖5中的低壓大電流段。器件有斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài)，關(guān)鍵在于結(jié)必須由反偏轉(zhuǎn)為正偏。結(jié)反向?qū)檎虻臈l件是區(qū)、區(qū)分別應(yīng)有空穴和電子積累。從圖（6）可以看出，區(qū)有空穴積累的條件是，結(jié)注入并且被收集到區(qū)的空穴量要大于同通過復(fù)合而消失的空穴量，即 （7）因?yàn)?，所以得到。?/p>

10、要條件成立，區(qū)的空穴積累同樣，區(qū)電子積累條件為 （8）故 （9）可見當(dāng)條件滿足時(shí)候，區(qū)電位為正，區(qū)電位為負(fù)。結(jié)變?yōu)檎骷幱趯?dǎo)通狀態(tài)，所以稱為導(dǎo)通條件。五、門極觸發(fā)原理如圖5-7所示，斷態(tài)時(shí)，晶閘管的和結(jié)處于輕微的正偏，結(jié)處于反偏，承受幾乎全部斷態(tài)電壓。由于受反向結(jié)所限，器件只能流過很小的漏電流。若在門極相對(duì)于陰極加正向電壓，便會(huì)有一股與陽極電流同方向的門極電流通過結(jié)，于是通過結(jié)的電流便不再受反偏結(jié)限制。只要改變加在結(jié)上的電壓，便可以控制結(jié)的電流大小。增大時(shí)，通過結(jié)的電流的電流也隨著增大，由此引起區(qū)向區(qū)注入大量的電子。注入?yún)^(qū)的電子，一部分與空穴復(fù)合，形成門極電流的一部分，另一部分電子在區(qū)通

11、過擴(kuò)散到達(dá)結(jié)被收集到區(qū)，由此引起通過結(jié)電子電流增加，隨之增大。電子被收集到區(qū)使得該地區(qū)電位下降，從而使得結(jié)更加正偏，注入空穴電流增大，于是通過結(jié)構(gòu)的電流也增大。而和都是電流的函數(shù)，它將隨著電流增大而變大。這樣，當(dāng)門極電流足夠大時(shí)候，就會(huì)使得通過器件的電流增大，使得條件成立。所以，當(dāng)加門極信號(hào)時(shí)候，器件可以在較小的電壓下觸發(fā)導(dǎo)通。越大，導(dǎo)通時(shí)候的轉(zhuǎn)折電壓就越低，如圖4所示。對(duì)于三端晶閘管，如圖所示7，通過結(jié)的各電流分量之和仍然等于總電流，即 （1） （2） （3） （4）將（1）和（3）分別代入（4）有 （5）當(dāng)考慮倍增效應(yīng)情況下，各電流分量經(jīng)過結(jié)空間電荷區(qū)后都要增大M倍，因此 （8） （9）

12、（當(dāng)M=1） （10）這就是晶閘管的特性方程，它表明晶閘管加正向電壓時(shí)，陽極電流與和以及和的關(guān)系。（一） 當(dāng)時(shí)特性曲線就變成PNPN兩端器件的特性方程在沒有結(jié)作用（）情況下當(dāng)、，而情況下，條件下，電流只比稍微大一些，因此同樣說明阻斷特性。故將稱為阻斷條件。（二）當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)，必須為零，它是電流連續(xù)性的必要條件，意味著結(jié)電壓，因?yàn)橹挥写藭r(shí)結(jié)本身對(duì)電流沒有作用，電流特性曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折。（三）當(dāng)時(shí)是的函數(shù)，是的函數(shù)。對(duì)于同樣的外加電壓（即M）相同，時(shí)的漏電流比時(shí)的漏電流大。表現(xiàn)在阻斷特性上就是越大，曲線越向大電流方向移動(dòng)。另一方面，當(dāng)時(shí)，器件發(fā)生轉(zhuǎn)折。如果電壓保持不變（即M相同），那么可以通過加大門極電流

13、使得變大，直到發(fā)生轉(zhuǎn)折。只要所加的足夠大，在電壓很低的情況下，同樣可以達(dá)到轉(zhuǎn)折條件，甚至可以使得阻斷曲線完全消失（見圖4中的那條曲線）。，這點(diǎn)標(biāo)志正向阻斷狀態(tài)的結(jié)束，同時(shí)又是導(dǎo)通的開始。所以處為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。（四）當(dāng)時(shí)，根據(jù)(19)，結(jié)提供了一個(gè)通態(tài)電流（）此時(shí)，由于，器件的正向壓降小于和結(jié)的壓降之和。五、晶閘管的特點(diǎn)從圖5我們可以看出晶閘管具有以下特點(diǎn)：l 晶閘管的基本結(jié)構(gòu)是PNPN結(jié)構(gòu)，四層結(jié)構(gòu)的物理模型是晶閘管工作原理的物理基礎(chǔ)。主要特征是，在伏安特性曲線的第一象限內(nèi)，都具有負(fù)阻特性。l 晶閘管在正向（第一象限內(nèi)）工作時(shí)，具有穩(wěn)定的斷態(tài)和通態(tài)，而且可以在斷態(tài)與通態(tài)之間互相轉(zhuǎn)換，它是晶閘管族系的

14、共同特點(diǎn)。處于斷態(tài)的晶閘管，當(dāng)加上足夠大的觸發(fā)電流時(shí)（幾號(hào)安幾百毫安），器件便會(huì)提前轉(zhuǎn)折而導(dǎo)通。器件可以通過（11000A）以上的大電流，正向壓降很小，晶閘管導(dǎo)通后，撤去門極電流，器件仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)，直到陽極電流下降到低于，器件才會(huì)重新回到阻斷狀態(tài)。所以晶閘管和一般的整流管不同，它具有“可控”整流的特點(diǎn)。l 晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥☉B(tài)的觸發(fā)方式，即可以采用電壓轉(zhuǎn)折，也可以用電信號(hào)、光信號(hào)以及溫度變化等方式來實(shí)現(xiàn)。因而可利用不同的觸發(fā)方式制造出使用各種用途的派生器件。l 在反向工作區(qū)（第三象限），除了具有阻斷能力外們也可以通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使之也能從斷態(tài)轉(zhuǎn)化通態(tài)或反向?qū)?，?shí)現(xiàn)反方向也能導(dǎo)電，如

15、雙向、逆導(dǎo)管。l 與功率開關(guān)晶體管相比，晶閘管具有特殊的優(yōu)點(diǎn)。晶閘管工作時(shí)，主電流流通的全過程，控制信號(hào)（基極電流）必須維持，使得控制回路消耗較多的功率。而且晶閘管則不同，一旦導(dǎo)通，撤去控制信號(hào)，使得控制回路大為簡(jiǎn)化。由于晶閘管只能工作在大電流、低電壓的通態(tài)或者高電壓、小電流的正向或反向阻斷狀態(tài)。在這兩種情況下，器件本身消耗的功率與器件以開關(guān)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功率相比是微不足道的。六、晶閘管的主要參數(shù)及意義1、門極觸發(fā)電流（IGT） 使晶閘管從阻斷到完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流。2、 極觸發(fā)電壓（VGT）對(duì)應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓。3、維持電流（IH）門極斷路，在室溫條件下，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后，

16、為維持導(dǎo)通所必需的最小電流。4、斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（VDRM）門極斷路、并在一定結(jié)溫下，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。（重復(fù)頻率為每秒50次，每次持續(xù)時(shí)間小于10ms）5、反向重復(fù)峰值電壓門極斷路、并在一定結(jié)溫下，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。（重復(fù)頻率為每秒50次，每次持續(xù)時(shí)間小于10ms）6、斷態(tài)電壓臨界上升率 在額定結(jié)溫下，實(shí)驗(yàn)題目：晶閘管綜合參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪斫饩чl管的基本理論，了解晶閘管參數(shù)的物理意義（晶閘管觸發(fā)電壓VGT、觸發(fā)電流IGT和維持電流IH三項(xiàng)參數(shù)1 概述 本儀器是晶閘管觸發(fā)電壓VGT、觸發(fā)電流IGT和維持電流IH三項(xiàng)參數(shù)的專用測(cè)試設(shè)備。適用于各種反向阻斷晶閘管，

17、逆導(dǎo)晶閘管及雙向晶閘管的參數(shù)測(cè)試。本測(cè)試儀設(shè)計(jì)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)合理，操作簡(jiǎn)便。并具有數(shù)字顯示，自動(dòng)測(cè)試等功能。其技術(shù)指標(biāo)符合GB4024-83標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，是電力半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠和使用單位最為理想的檢測(cè)設(shè)備。2技術(shù)參數(shù)2.1A(T2)、K(T1)間的斷態(tài)電壓：DC12V(內(nèi)部限流電阻6.8)。2.2觸發(fā)電流、維持電流測(cè)量范圍：1-450mA2.3觸發(fā)電壓測(cè)量范圍：0-7V2.4測(cè)量時(shí)間：小于2S2.5工作條件電源:AC 220V±10% 50HZ溫度：0-402.6整機(jī)功耗：小于75VA2.7整機(jī)重量：約10Kg2.8整機(jī)尺寸：440×440×150mm3結(jié)構(gòu)特征本儀器為

18、箱式結(jié)構(gòu)，數(shù)字顯示，讀數(shù)直觀方便。前部是面板，裝有控制鍵、數(shù)字顯示表和接線端子等。后蓋板上裝有三芯電源插座和保險(xiǎn)絲盒(保險(xiǎn)絲為0.5A/250V)。三線電源插頭的地端要可靠接地，以確保測(cè)試人員的安全和測(cè)試精度。4使用方法4.1面板說明(參見面板圖)4.1.1“電源”開關(guān)此開關(guān)擲向開時(shí)，內(nèi)藏指示燈亮，電源接通。圖4.1面板圖4.1.2“A(T2)、K(T1)、G”接線端子被測(cè)器件接線端子4.1.3“mA”電流顯示表顯示被測(cè)器件的觸發(fā)(維持)電流，單位毫安。4.1.4“V”電壓顯示表顯示被測(cè)器件的觸發(fā)電壓，單位伏特。4.1.5“IG+”觸發(fā)象限選擇鍵按動(dòng)此鍵，內(nèi)藏指示燈亮，主回路A(T2)接正、K(T1)接負(fù)、G接正，儀器處于觸發(fā)電流待測(cè)狀態(tài)。4.1.6“IG-”觸發(fā)象限選擇鍵按動(dòng)此鍵，內(nèi)藏指示燈亮，主回路A(T2)接正、K(T1)接負(fù)、G接負(fù)，儀器處于觸發(fā)電流待測(cè)狀態(tài)。4.1.7“IG-”觸發(fā)象限選擇鍵按動(dòng)此鍵，內(nèi)藏指示燈亮，主回路A(T2)接負(fù)、K(T1)接正、G接負(fù)，儀器處于觸發(fā)電流待測(cè)狀態(tài)。4.1.8“IH”功能選擇鍵按動(dòng)此鍵，內(nèi)藏指示燈亮，“mA”電流顯示表顯示大于“450”的某一數(shù)值，儀器處于維持電流待測(cè)狀態(tài)。4.1.9“復(fù)位”鍵按動(dòng)此鍵，在觸發(fā)參數(shù)待測(cè)狀態(tài)下，“mA”電