晶闸管的结构以及工作基本知识 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211P N P 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AK V 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AK V 的增大，只要BO AK V V <，通过阳极电流A I 都很小，因而称此区域为正向阻断状态。
当AK V 增大超过BO V 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T I ，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BO V 及其所对应的BO I 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H I 的某一临界值以下，器件才能被关断 当晶闸管处于断态（BO AK V V <）时，如果使得门极相对于阴极为正，给门极通以电流G I ，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通转折电压BO V 以及转折电流BO I 都是G I 的函数，G I 越大，BO V 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RO AK V V <，A I 很小，且与G I 基本无关但反向电压很大时（RO AK V V ≈），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RO V 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2BJ V 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1α和2α的211P N P 和221N P N 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A I 1α；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K I 2α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CO I 由图6可知，通过2J 结的电流为上述三者之和，即 CO K A J I I I I ++=212αα （1） 假定发射效率121==γγ，根据电流连续性原理K A J I I I ==2，所以公式（1）变成： ) (121αα+-=CO A I I （2） 公式说明，当正向电压小于2J 结的雪崩击穿电压B V ，倍增效应很小，注入电流也很小，所以1α和2α也很小，故有 121<+αα （3） 此时的CO I 也很小所以1J 和3J 结正偏，所以增加AK V 只能使2J 结反偏压增大，并不能使CO I 及A I 增加很多，因而器件始终处于阻断状态，流过器件的电流与CO I 同一数量级因此将公式（3）称为阻断条件 当AK V 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M M M p n ==，则CO I 、1α和2α都将增大M 倍，故（2）变成 ) (121αα+-=M MI I CO A （4） 此时分母变小，A I 将随AK V 的增长而迅速增加，所以当 。