晶闸管的结构以及工作原理资料

一、晶闸管的基本结构晶闸管（SemiconductorControlledRectifier简称SCR）是一种四层结构（PNPN）的大功率半导体器件,它同时又被称作可控整流器或可控硅元件。它有三个引出电极，即阳极（A）、阴极（K）和门极（G）。其符号表示法和器件剖面图如图1所示。图1符号表示法和器件剖面图普通晶闸管是在N型硅片中双向扩散P型杂质（铝或硼），形成211PNP结构，然后在2P的大部分区域扩散N型杂质（磷或锑）形成阴极，同时在2P上引出门极，在1P区域形成欧姆接触作为阳极。图2、晶闸管载流子分布二、晶闸管的伏安特性晶闸管导通与关断两个状态是由阳极电压、阳极电流和门极电流共同决定的。通常用伏安特性曲线来描述它们之间的关系，如图3所示。图3晶闸管的伏安特性曲线当晶闸管AKV加正向电压时，1J和3J正偏，2J反偏，外加电压几乎全部降落在2J结上，2J结起到阻断电流的作用。随着AKV的增大，只要BOAKVV，通过阳极电流AI都很小，因而称此区域为正向阻断状态。当AKV增大超过BOV以后，阳极电流突然增大，特性曲线过负阻过程瞬间变到低电压、大电流状态。晶闸管流过由负载决定的通态电流TI，器件压降为1V左右，特性曲线CD段对应的状态称为导通状态。通常将BOV及其所对应的BOI称之为正向转折电压和转折电流。晶闸管导通后能自身维持同态，从通态转换到断态，通常是不用门极信号而是由外部电路控制，即只有当电流小到称为维持电流HI的某一临界值以下，器件才能被关断。当晶闸管处于断态（BOAKVV）时，如果使得门极相对于阴极为正，给门极通以电流GI，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压BOV以及转折电流BOI都是GI的函数，GI越大，BOV越小。如图3所示，晶闸管一旦导通后，即使去除门极信号，器件仍然然导通。当晶闸管的阳极相对于阴极为负，只要ROAKVV，AI很小，且与GI基本无关。但反向电压很大时（ROAKVV），通过晶闸管的反向漏电流急剧增大，表现出晶闸管击穿，因此称ROV为反向转折电压和转折电流。三、晶闸管的静态特性晶闸管共有3个PN结，特性曲线可划分为（0~1）阻断区、（1~2）转折区、（2~3）负阻区及（3~4）导通区。如图5所示。（一）正向工作区1、正向阻断区（0~1）区域当AK之间加正向电压时，1J和3J结承受正向电压，而2J结承受反向电压，外加电压几乎全部落在2J结身上。反偏2J结起到阻断电流的作用，这时晶闸管是不导通。2、雪崩区（1~2也称转折区）当外加电压上升接近2J结的雪崩击穿电压2BJV时，反偏2J结空间电荷区宽度扩展的同时，内电场也大大增强，从而引起倍增效应加强。于是，通过2J结的电流突然增大，并使得流过器件的电流也增大。此时，通过2J结的电流，由原来的反向电流转变为主要由1J和3J结注入的载流子经过基区衰减而在2J结空间电荷区倍增了的电流，这就是电压增加，电流急剧增加的雪崩区。因此区域发生特性曲线转折，故称转折区。3、负载区（2~3）当外加电压大于转折电压时候，2J结空间电荷区雪崩倍增所产生大量的电子—空穴对，受到反向电场的抽取作用，电子进入1N区，空穴进入2P区，由于不能很快的复合，所以造成2J结两侧附近发生载流子积累：空穴在2P区、电子在1N区，补偿离化杂质电荷，使得空间电荷区变窄。由此使得2P区电位升高、1N区电位下降，起了抵消外电场作用。随着2J结上外加电压下降，雪崩倍增效效应也随之减弱。另一方面1J和3J结的正向电压却有所增强，注入增加，造成通过2J结的电流增大，于是出现了电流增加电压减小的负阻现象。4、低阻通态区（3~4）如上所述，倍增效应使得2J结两侧形成电子和空穴的积累，造成2J结反偏电压减小；同时又使得1J和3J结注入增强，电路增大，因而2J结两侧继续有电荷积累，结电压不断下降。当电压下降到雪崩倍增停止以后，结电压全部被抵销后，2J结两侧仍有空穴和电子积累，2J结变为正偏。此时1J、2J和3J结全部正偏，器件可以通过大电流，因为处于低阻通态区。完全导通时，其伏安特性曲线与整流元件相似。（二）反向工作区（0~5）器件工作在反向时候，1J和3J结反偏，由于重掺杂的3J结击穿电压很低，1J结承受了几乎全部的外加电压。器件伏安特性就为反偏二极管的伏安特性曲线。因此，PNPN晶闸管存在反向阻断区，而当电压增大到1J结击穿电压以上，由于雪崩倍增效应，电流急剧增大，此时晶闸管被击穿。图4晶闸管的门极电流对电流—电压特性曲线的影响四、晶闸管的特性方程一个PNPN四层结构的两端器件，可以看成电流放大系数分别为1和2的211PNP和221NPN晶体管，其中2J结为共用集电结，如图6所示。当器件加正向电压时。正偏1J结注入空穴经过1N区的输运，到达集电极结（2J）空穴电流为AI1；而正偏的3J结注入电子，经过2P区的输运到达2J结的电流为KI2。由于2J结处于反向，通过2J结的电流还包括自身的反向饱和电流COI。由图6可知，通过2J结的电流为上述三者之和，即COKAJIIII212（1）假定发射效率121，根据电流连续性原理KAJIII2，所以公式（1）变成：)(121COAII（2）公式说明，当正向电压小于2J结的雪崩击穿电压BV，倍增效应很小，注入电流也很小，所以1和2也很小，故有121（3）此时的COI也很小。所以1J和3J结正偏，所以增加AKV只能使2J结反偏压增大，并不能使COI及AI增加很多，因而器件始终处于阻断状态，流过器件的电流与COI同一数量级。因此将公式（3）称为阻断条件。当AKV增加使得2J结反偏压增大而发生雪崩倍增时候，假定倍增因子MMMpn，则COI、1和2都将增大M倍，故（2）变成)(121MMIICOA（4）此时分母变小，AI将随AKV的增长而迅速增加，所以当1)(21M（5）便达到雪崩稳定状态极限（BOAKVV），电流将趋于无穷大，因此（5）式称为正向转折条件。准确的转折点条件，是根据特性曲线下降段的起点来标志转折点。在这点0AAKdIdV，022AAKdIVd现在利用这个特点，由特性曲线方程式（4）推导转折点条件。因为1和2是电流的函数，M是2JV的函数，可近似用)()(2AKJVMVM，COI为常数，对（4）求导AKAdVdI，计算结果是AKCOAAAAAAAKAAAKdVdMIIIdIdIMdIdIMdVdIdIdV)()()(11212211（6）由于转折电压低于击穿电压，故AKdVdM为一恒定值。分母也为恒定值，由于0AAKdIdV，分子也必须为零，可得到1)()(2211AAAAdIdIMdIdIM（7）根据晶体管直流电压放大系数的定义，CBOECIII（8）即可得到小信号电流放大系数EEECdIdIdIdI~（9）利用公式（9）可把公式（7）变为1)(2~~1M（10）即在转折点，倍增因子与小信号~之和的乘积刚好为1。PNPN结构只要满足上式，便具有开关特性，即可以从断态转变成通态。由于是随着电流EI变化的，当AI增大，1和2都随之增大。由此可知，在电流较大时，满足（6）的M值反而可以减小。这说明AI增大，AKV相应减小，这正是图5中曲线（2~3）所示的负阻段。既是电流的函数名同时也是集电结电压的函数，当一定时电流增大则相应的集电结反偏压减小。当电流很大，会出现121（6）根据方程（2），2J结提供一个通态电流（0COI）。因此2J结必须正偏，于是1J、2J和3J结全部正偏，器件处于导通。这便是图5中的低压大电流段。器件有断态变为通态，关键在于2J结必须由反偏转为正偏。2J结反向专为正向的条件是2P区、1N区分别应有空穴和电子积累。从图（6）可以看出，2P区有空穴积累的条件是，1J结注入并且被2J收集到2P区的空穴量AI1要大于同KI)1(2通过复合而消失的空穴量，即KAII)1(21（7）因为KAII，所以得到121。只要条件成立，2P区的空穴积累同样，1N区电子积累条件为KAII)1(12（8）故121（9）可见当121条件满足时候，2P区电位为正，1N区电位为负。2J结变为正偏，器件处于导通状态，所以121称为导通条件。五、门极触发原理如图5-7所示，断态时，晶闸管的1J和3J结处于轻微的正偏，2J结处于反偏，承受几乎全部断态电压。由于受反向2J结所限，器件只能流过很小的漏电流。若在门极相对于阴极加正向电压GV，便会有一股与阳极电流同方向的门极电流GI通过3J结，于是通过3J结的电流便不再受反偏2J结限制。只要改变加在3J结上的电压，便可以控制3J结的电流大小。GI增大时，通过3J结的电流的电流也随着增大，由此引起2N区向2P区注入大量的电子。注入2P区的电子，一部分与空穴复合，形成门极电流的一部分，另一部分电子在2P区通过扩散到达2J结被收集到1N区，由此引起通过2J结电子电流增加，2随之增大。电子被收集到1N区使得该地区电位下降，从而使得1J结更加正偏，注入空穴电流增大，于是通过2211NPNP结构的电流AI也增大。而1和2都是电流的函数，它将随着电流AI增大而变大。这样，当门极电流GI足够大时候，就会使得通过器件的电流增大，使得121条件成立。所以，当加门极信号时候，器件可以在较小的电压下触发导通。GI越大，导通时候的转折电压就越低，如图4所示。对于三端晶闸管，如图所示7，通过2J结的各电流分量之和仍然等于总电流AI，即ACII11（1）ACII22（2）AGKIII（3）COccAIIII21（4）将（1）和（3）分别代入（4）有COKAAIIII21（5）当考虑倍增效应情况下，各电流分量经过2J结空间电荷区后都要增大M倍，因此COKAAMIIMIMI21（8）)(1)(212MIIMIGCOA（9）)(1212GCOAIII（当M=1）（10）这就是晶闸管的特性方程，它表明晶闸管加正向电压时，阳极电流与1和2以及GI和COI的关系。（一）当0GI时特性曲线就变成PNPN两端器件的特性方程)(121COAII在没有结作用（021）情况下COAII当1、20，而121情况下，0GI条件下，电流AI只比COI稍微大一些，因此同样说明阻断特性。故将121称为阻断条件。（二）当121时当121时，COI必须为零，它是电流连续性的必要条件，意味着2J结电压02V，因为只有此时2J结本身对电流没有作用，电流特性曲线发生转折。（三）当0GI时2是)(GAII的函数，1是AI的函数。对于同样的外加电压（即M）相同，0GI时的漏电流比0GI时的漏电流大。表现在阻断特性上就是GI越大，曲线越向大电流方向移动。另一方面，当1)(21M时，AI，器件发生转折。如果电压保持不变（即M相同），那么可以通过加大门极电流GI使得)(2GAII变大，直到1)(21M发生转折。只要所加的GI足够大，在电压AV很低的情况下，同样可以达到转折条件，甚至可以使得阻断曲线完全消失（见图4中的3GI那条曲线）。1)(21M，AI，这点标志正向阻断状态的结束，同时又是导通的开始。所以0AAdIdV处为转折点。（四）当1)(21时，根据(19)，2J结提供了一个通态电流（0COI）此时，由于31321VVVVVVAK，器件的正向压降小于1J和3J结的压降之和。五、晶闸管的特点从图5我们可以看出晶闸管具有以下特点：晶闸管的基本结构是PNPN结构，四层结构的物理模型是晶闸管工作原理的物理基础。主要特征是，在伏安特性曲线的第一象限内，都具有负阻特性。晶闸管在正向（第一象限内）工作时，具有稳定的断态和通态，而且可以在断态与通态之间互