晶闸管的结构以及工作原理

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1、一、晶闸管的基本结构晶闸管（Semiconductoi-Controlled Rectifier 简称 SCR）是一种四层结构 （PNPN）的大功率半导体器件，它同时乂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 凹 结构,然后在凶的大部分区域扩散N型杂质（磷或鎌）形成阴极，同时在凶上引出门 极，在凶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

2、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。1昨一导通区1|=rUa更向正向S1斷区图3晶闸管的伏安特性曲线当晶闸管回加正向电压时，因和因正偏，因反偏，外加电压儿乎全部降 落在凶结上，凶结起到阻断电流的作用。随着回的增大，只要三I ,通 过阳极电流因都很小，因而称此区域为正向阻断状态。当a增大超过因以后, 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因，器件压降为IV左右，特性曲线CD段对应的状 态称为导通状态。通常将因及其所对应的因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

3、是由 外部电路控制，即只有当电流小到称为维持电流日的某一临界值以下，器件才 能被关断。当晶闸管处于断态（）时，如果使得门极相对于阴极为正，给门 极通以电流因，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压因以及转折 电流因都是因的函数，凶越大，因越小。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 W3 ,目很小，且与因基本无 关。但反向电压很大时（），通过晶闸管的反向漏电流急剧增大，表现 出晶闸管击穿，因此称因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、（12）转折区、 （23）负阻

4、区及（34）导通区。如图5所示。Jh4.转折点（一）正向工作区1、正向阻断区（01）区域当AK之间加正向电压时，凶和因结承受正向电压，而凶结承受反向电压, 外加电压儿乎全部落在凶结身上。反偏凶结起到阻断电流的作用，这时晶闸管 是不导通。2、雪崩区（12也称转折区）当外加电压上升接近因结的雪崩击穿电压S时，反偏因结空间电荷区宽 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，通过凶结 的电流突然增大，并使得流过器件的电流也增大。此时，通过凶结的电流，由 原來的反向电流转变为主要由因和凶结注入的载流子经过基区衰减而在因结空 间电荷区借增了的电流，这就是电压增加，电流急剧增加的雪崩区。因

5、此区域发 生特性曲线转折，故称转折区。3、负载区（23）当外加电压大于转折电压时候，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，电子进入凶区，空穴进入因区，由于 不能很快的复合，所以造成凶结两侧附近发生载流子积累：空穴在因区、电子 在凶区，补偿离化杂质电荷，使得空间电荷区变窄。由此使得0区电位升高、凶 区电位下降，起了抵消外电场作用。随着凶结上外加电压下降，雪崩倍增效效 应也随之减弱。另一方面因和因结的正向电压却有所增强，注入增加，造成通 过a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，倍增效应使得凶结两侧形成电子和空穴的积

6、累，造成凶结反偏 电压减小；同时乂使得因和凶结注入增强，电路增大，因而因结两侧继续有电 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，凶结两侧仍有空穴和电子积累，凶结变为正偏。此时凶、凶和凶结全部正 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（05）器件工作在反向时候，因和凶结反偏，由于重掺杂的凶结击穿电压很低，0 结承受了儿乎全部的外加电压。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，而当电压增大到因结击穿电压以上，由于 雪崩倍增效应，电流急剧增大，此时晶闸管被击穿

7、。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因和因的E 和晶体管，其中因结为共用集电结，如图6所示。当器件加正向电压时。正偏凶结注入空穴经过S区的输运，到达集电极结（）空穴电流为S ；而正偏的凶结注入电子，经过因区的输运到达凶结的电流为 H O由于因结处于反向，通过因结的电流还包括自身的反向饱和电流。由图6可知，通过凶结的电流为上述三者之和，即 (1)假定发射效率 X ，根据电流连续性原理 I ，所以公式(1)变成：K (2)公式说明，当正向电压小于因结的雪崩击穿电压因，倍增效应很小，注入电流 也很小，所以凶和

8、凶也很小，故有(3) 此时的因也很小。所以凶和凶结正偏，所以增加a只能使a结反偏压增大， 并不能使因及凶增加很多，因而器件始终处于阻断状态，流过器件的电流与 同一数量级。因此将公式(3)称为阻断条件。当a增加使得凶结反偏压增大而发生雪崩倍增时候，假定倍增因子 厂=1,则因、因和凶都将增大M倍，故(2)变成此时分母变小，凶将随凹的增长而迅速增加，所以当(5)便达到雪崩稳定状态极限（ WJ ）,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來标志转折点。在这点现在利用这个特点，由特性曲线方程式（4）推导转折点条件。因为E和因是电流的函数，M是因的函数

9、，可近似用，0为常数，对（4）求导3 ,计算结果是(6)由于转折电压低于击穿电压，故 凶 为一恒定值。分母也为恒定值，由于E ,分子也必须为零，可得到(7)根据晶体管直流电压放大系数的定义,(8)(9)即可得到小信号电流放大系数利用公式（9）可把公式（7）变为(10)即在转折点，倍增因子与小信号勺之和的乘积刚好为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。由于因是随着电流日变化的，当日增大，因和凶都随之增大。由此可知， 在电流较大时，满足（6）的m值反而可以减小。这说明目增大，a相应减小, 这正是图5中曲线（23）所示的负阻段。因既是电流的函数名同时也是集电结电压的

10、函数，当因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I III（6）根据方程（2）,凶结提供一个通态电流（国 ）o因此凶结必须正偏，于是 0因和凶结全部正偏，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，关键在于凶结必须由反偏转为正偏。凶结反向专为 正向的条件是凶区、日区分别应有空穴和电子积累。从图（6）可以看出，0区 有空穴积累的条件是，因结注入并且被因收集到因区的空穴量S要大于同 通过复合而消失的空穴量，即厂一飞（7）因为 凹，所以得到 4 。只要条件成立，日区的空穴积累同样，日区 电子积累条件为 （8）故（9）可见当条件满足时候，凶区电位为正，日区电位为

11、负。凶结变为正 偏，器件处于导通状态，所以 称为导通条件。五、门极触发原理如图5-7所示，断态时，晶闸管的凶和因结处于轻微的正偏，凶结处于反 偏，承受儿乎全部断态电压。由于受反向凶结所限，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因，便会有一股与阳极电流同方向的门极 电流因通过凶结，于是通过凶结的电流便不再受反偏因结限制。只要改变加在 凶结上的电压，便可以控制凶结的电流大小。凶增大时，通过因结的电流的电 流也随着增大，由此引起凶区向凶区注入大量的电子。注入日区的电子，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a区通过扩散到达结 被收集到3区，由此引起通过a结电子电流

12、增加，a随之增大。电子被收集到 耳区使得该地区电位下降，从而使得因结更加正偏，注入空穴电流增大，于是 通过 j结构的电流a也增大。而凶和凶都是电流的函数，它将随着电流 因增大而变大。这样，当门极电流因足够大时候，就会使得通过器件的电流增 大，使得 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。凶越大，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,通过凶结的各电流分量之和仍然等于总电流 a,即ri(1)ri1 K 11 1(2)(3)(4)将（1）和（3）分别代入（4）有1 = (5)当考虑倍增效应情况下，各电流分量经过凶结空间电荷区后都要增大M倍,因此

13、(9)(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，阳极电流与耳和 以及因和因的关系。（一）当时特性曲线就变成PNPN两端器件的特性方程在没有结作用（）情况下当弓、a s ,而三1情况下，e条件下，电流凶只比因稍微大一些，因此同样说明阻断特性。故将 称为阻断条件。（二）当时当 时，因必须为零，它是电流连续性的必要条件，意味着因结 电压 a ,因为只有此时因结本身对电流没有作用，电流特性曲线发生转折。（三）当国时回是 的函数，凶是凶的函数。对于同样的外加电压（即M）相同,e 时的漏电流比 e 时的漏电流大。表现在阻断特性上就是因越大，曲线 越向大电流方向移动。另一方面，

14、当时，W3 ,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因使得变大，直到发生转折。只要所加的因足够大，在电压因很低的情况下，同样可以达到转折条件，共至可以使得阻断曲线完全消失（见图4中的凶那条曲 线）。厂T , 凹 ，这点标志正向阻断状态的结束，同时乂是导通的开始。所以处为转折点。（四）当时，根据（19）,凶结提供了一个通态电流（EHJ ）此时,由于器件的正向压降小于凶和因结的压降之和。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

15、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 断态与通态之间互相转换，它是晶闸管族系的共同特点。处于断态的晶闸管, 当加上足够大的触发电流因时（几号安儿百毫安），器件便会提前转折而导 通。器件可以通过（1-1000A）以上的大电流，正向压降很小，晶闸管导通 后，撤去门极电流因，器件仍能维持导通状态，直到阳极电流因下降到低于 日，器件才会重新回到阻断状态。所以晶闸管和一般的整流管不同，它具有 “可控”整流的特点。晶闸管由断态转变为通态的触发方式，即可以采用电压转折，也可以用电信 号、光信号以及温度变化等方式來实现。因而可利用不同的触发方式制造出 使用各种用途的派生器件。在反向工作区（第三象限），除了具有阻断能力外们也可以通过适当的结构设 计，使之也能从断态转化通态或反向导通，实现反方向也能导电，如双向、 逆导管。与功率开关晶体管相比，晶闸管具有特殊的优点。