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（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），形成结构，然后在的大部分区域扩散N型杂质（磷或锑）形成阴极，同时在上引出门极，在区域形成欧姆接触作为阳极。-15-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

2、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。-15-图3晶闸管的伏安特性曲线当晶闸管加正向电压时，和正偏，反偏，外加电压几乎全部降落在结上，结起到阻断电流的作用。随着的增大，只要，通过阳极电流都很小，因而称此区域为正向阻断状态。当增大超过以后，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，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。通常将及其所对应的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

3、部电路控制，即只有当电流小到称为维持电流的某一临界值以下，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，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压以及转折电流都是的函数，越大，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，很小，且与基本无关。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

4、区及（3~4）导通区。如图5所示。-15-（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，和结承受正向电压，而结承受反向电压，外加电压几乎全部落在结身上。反偏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结的雪崩击穿电压时，反偏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，通过结的电流，由原来的反向电流转变为主要由和结注入的载流子经过基区衰减而在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

5、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，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，电子进入区，空穴进入区，由于不能很快的复合，所以造成结两侧附近发生载流子积累：空穴在区、电子在区，补偿离化杂质电荷，使得空间电荷区变窄。由此使得区电位升高、区电位下降，起了抵消外电场作用。随着-15-结上外加电压下降，雪崩倍增效效应也随之减弱。另一方面和结的正向电压却有所增强，注入增加，造成通过结的电流增大，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

6、得结两侧形成电子和空穴的积累，造成结反偏电压减小；同时又使得和结注入增强，电路增大，因而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，结两侧仍有空穴和电子积累，结变为正偏。此时、和结全部正偏，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，和结反偏，由于重掺杂的结击穿电压很低，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，而当电压增大到结击穿电压以上，由于雪崩倍增效应，

7、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和的和晶体管，其中结为共用集电结，如图6所示。当器件加正向电压时。正偏结注入空穴经过区的输运，到达集电极结（）空穴电流为-15-；而正偏的结注入电子，经过区的输运到达结的电流为。由于结处于反向，通过结的电流还包括自身的反向饱和电流。由图6可知，通过结的电流为上述三者之和，即（1）假定发射效率，根据电流连续性原理，所以公式（1）变成：（2）公式说明，当正向电压小于结的雪崩击穿电压，倍增效应很小，注

8、入电流也很小，所以和也很小，故有（3）此时的也很小。所以和结正偏，所以增加只能使结反偏压增大，并不能使及增加很多，因而器件