晶闸管地结构以及工作原理.doc

一、晶闸管的基本结构晶闸管（SemiconductorControlled Rectifier 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RNf2结构,然后在P2的大部分区域扩散N型杂质（磷或锑）形成阴极，同时在 P2上引出门 极，在P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Vak加正向电压时，Ji和J3正偏，J2反偏，外加电压几乎全部降 落在J2结上，J2结起到阻断电流的作用随着 Vak的增大，只要Vak ：：：Vb通 过阳极电流I a都很小，因而称此区域为正向阻断状态当Vak增大超过Vbo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It，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Vbo及其所对应的I BO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 Ih的某一临界值以下，器件才能被关断当晶闸管处于断态（Vak ::: Vb时，如果使得门极相对于阴极为正，给门极通以电流Ig，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通 转折电压Vb以及转折电流Ibo都是Ig的函数，Ig越大，Vb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 Vak ：：：VrIa很小，且与Ig基本无关但反向电压很大时（Vak -Vro），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Vro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，J,和J3结承受正向电压，而J2结承受反向电压， 外加电压几乎全部落在J2结身上反偏J2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J2结的雪崩击穿电压Vbj2时，反偏J2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 J2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 J2结的电流，由 原来的反向电流转变为主要由J1和J3结注入的载流子经过基区衰减而在 J2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， J2结空间电荷区雪崩倍增所产生大量的电子一空穴对，受到反向电场的抽取作用，电子进入 Ni区，空穴进入P2区，由于不能很快的复合，所以造成J2结两侧附近发生载流子积累：空穴在 P2区、电子 在Ni区，补偿离化杂质电荷，使得空间电荷区变窄由此使得P2区电位升高、Ni 区电位下降，起了抵消外电场作用随着 J2结上外加电压下降，雪崩倍增效效 应也随之减弱另一方面Ji和J3结的正向电压却有所增强，注入增加，造成通过J2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J2结两侧形成电子和空穴的积累，造成 J2结反偏电压减小；同时又使得Ji和J3结注入增强，电路增大，因而 J2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，J2结两侧仍有空穴和电子积累，J2结变为正偏此时Ji、J2和J3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，Ji和J3结反偏，由于重掺杂的J3结击穿电压很低，Ji 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，PNP N晶闸管存在反向阻断区，而当电压增大到 Ji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he图4晶闸管的门极电流对电流一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 和〉2的PUP?和NP2N2晶体管，其中J2结为共用集电结，如图6所示当器件加正向 电压时正偏Ji结注入空穴经过Ni区的输运，到达集电极结（J?）空穴电流为 〉iIa ；而正偏的J3结注入电子，经过P2区的输运到达J2结的电流为—Ik由于J2结处于反向，通过结的电流还包括自身的反向饱和电流IcO由图6可知，通过J2结的电流为上述三者之和，即(1)1 J = 1 1 2 1 K 1 CO假定发射效率i二2=1，根据电流连续性原理Ij2 = I a = Ik，所以公式（1）变成:I CO(2)I a 二1 -(： 1 ： 2)公式说明，当正向电压小于J2结的雪崩击穿电压Vb，倍增效应很小，注入电流 也很小，所以-1和〉2也很小，故有(3)此时的Ic。

也很小所以J1和J3结正偏，所以增加Vak只能使J2结反偏压增大, 并不能使Ico及Ia增加很多，因而器件始终处于阻断状态，流过器件的电流与Ico 同一数量级因此将公式（3）称为阻断条件当Vak增加使得J2结反偏压增大而发生雪崩倍增时候，假定倍增因子Mn =M^M，则Ico、-1和〉2都将增大M倍，故（2）变成MI co1 -M(： 1 ： 2)此时分母变小，Ia将随Vak的增长而迅速增加，所以当(5)便达到雪崩稳定状态极限（Vak =Vb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dVAKd 2Vak o 2 0 dlA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VJ2的函数，可近似用M（Vj2） = M （Vak），ICO为常数，对（4）求导卫a，计算结果是dVAKdVAKdlA1dVAKd% da 21-M(：1 Ia 打-皿(：2 Ia 2) dlA dlAdM(-■>1 1 A '丄2 1 A 1 CO)dVAK(6)由于转折电压低于击穿电压，故竺为一恒定值分母也为恒定值,dVAK叫=0,分子也必须为零，可得到dlAd% g 2"1 "A訂"2 "A 訂/(7)(8)(9)根据晶体管直流电压放大系数的定义,lc f Ie Icbo即可得到小信号电流放大系数dlE利用公式（9）可把公式（7）变为(10)即在转折点，倍增因子与小信号：•之和的乘积刚好为1°PNPN吉构只要满足上式, 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Ie变化的，当Ia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I A增大，VAK相应减小， 这正是图5中曲线（2~3）所示的负阻段a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，会出现二 1 心2 1 （ 6）根据方程（2），J2结提供一个通态电流（lc£0 ）因此J2结必须正偏，于是Ji、J2和J3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 J2结必须由反偏转为正偏J2结反向专为 正向的条件是B区、Ni区分别应有空穴和电子积累从图（6）可以看出，B区 有空穴积累的条件是，Ji结注入并且被J2收集到P2区的空穴量：-iIa要大于同 （1 2）"通过复合而消失的空穴量，即? 1 l A ■ （1 八 2 ） l K（7）因为l a二“，所以得到•1只要条件成立，B区的空穴积累同样，N区电子积累条件为Qa （1-：1）Ik（8）故匕2 1（9）可见当：^ ■ ： 2 -1条件满足时候，P2区电位为正，Ni区电位为负J2结变为正 偏，器件处于导通状态，所以'-：＞2 1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Ji和J3结处于轻微的正偏，J2结处于反 偏，承受几乎全部断态电压由于受反向 J2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 VG，便会有一股与阳极电流同方向的门极 电流Ig通过J3结，于是通过J3结的电流便不再受反偏J2结限制只要改变加在 J3结上的电压，便可以控制J3结的电流大小Ig增大时，通过J3结的电流的电 流也随着增大，由此引起N2区向P2区注入大量的电子注入P2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P2区通过扩散到达J2结 被收集到Ni区，由此引起通过J2结电子电流增加，＞2随之增大电子被收集到 Ni区使得该地区电位下降，从而使得 Ji结更加正偏，注入空穴电流增大，于是 通过RNiF2N2结构的电流Ia也增大而：1和〉2都是电流的函数，它将随着电流 Ia增大而变大这样，当门极电流I G足够大时候，就会使得通过器件的电流增 大，使得M ： 2 i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lG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J2结的各电流分量之和仍然等于总电流Ia，即I Ci =〉il A （ i）IC^ ■ 2 I A （ 2）Ik "g Ta （ 3）I^ Ici Ic2 Ico （ 4）将（i）和（3）分别代入（4）有1 A -：：i 1 A '「21 K 1 CO （ 5）当考虑倍增效应情况下，各电流分量经过J2结空间电荷区后都要增大 M倍,因此=M、；） A M、；2 I K Ml co（8）M （I CO ' 2 1 G ）（9）1 - M （_： J =2）1 CO 1 G（当 M=1（10）1 -（： 1 ： 2）IaIaIa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IG和ICO的关系（一）当 Ig =0 时特性曲线就变成PNPN两端器件的特性方程I COI a 二 1-（-1 ： 2）在没有结作用（：・1「J = 0）情况下丨 A i CO当〉1、2=0，而>1*2 <1情况下，Ig = 0条件下，电流I A只比Ico稍微 大一些，因此同样说明阻断特性。

故将：■< ：-2 <1称为阻断条件二） 当•「2 =1 时当■ ：2 =1时，ICO必须为零，它是电流连续性的必要条件，意味着 J2结 电压V2=0，因为只有此时J2结本身对电流没有作用，电流特性曲线发生转折三） 当Ig -0时：2是（Ia Ig）的函数，:1是Ia的函数对于同样的。