1、一、晶閘管的基本結構晶閘管（SemiconductorControlled Rectifier簡稱SCR）是一種四層結構（PNPN）的大功率半導體器件,它同時又被稱作可控整流器或可控硅元件。它有三個引出電極，即陽極（A）、陰極（K）和門極（G）。其符號表示法和器件剖面圖如圖1所示。圖1 符號表示法和器件剖面圖普通晶閘管是在N型硅片中雙向擴散P型雜質（鋁或硼），形成結構，然后在的大部分區域擴散N型雜質（磷或銻）形成陰極，同時在上引出門極，在區域形成歐姆接觸作為陽極。圖2、晶閘管載流子分布二、晶閘管的伏安特性晶閘管導通與關斷兩個狀態是由陽極電壓、陽極電流和門極電流共同決定的。通常用伏安特性曲線來描

2、述它們之間的關系，如圖3所示。圖3 晶閘管的伏安特性曲線當晶閘管加正向電壓時，和正偏，反偏，外加電壓幾乎全部降落在結上，結起到阻斷電流的作用。隨著的增大，只要，通過陽極電流都很小，因而稱此區域為正向阻斷狀態。當增大超過以后，陽極電流突然增大，特性曲線過負阻過程瞬間變到低電壓、大電流狀態。晶閘管流過由負載決定的通態電流，器件壓降為1V左右，特性曲線CD段對應的狀態稱為導通狀態。通常將及其所對應的稱之為正向轉折電壓和轉折電流。晶閘管導通后能自身維持同態，從通態轉換到斷態，通常是不用門極信號而是由外部電路控制，即只有當電流小到稱為維持電流的某一臨界值以下，器件才能被關斷。當晶閘管處于斷態（）時，如果

3、使得門極相對于陰極為正，給門極通以電流，那么晶閘管將在較低的電壓下轉折導通。轉折電壓以及轉折電流都是的函數，越大，越小。如圖3所示，晶閘管一旦導通后，即使去除門極信號，器件仍然然導通。當晶閘管的陽極相對于陰極為負，只要，很小，且與基本無關。但反向電壓很大時（），通過晶閘管的反向漏電流急劇增大，表現出晶閘管擊穿，因此稱為反向轉折電壓和轉折電流。三、晶閘管的靜態特性晶閘管共有3個PN結，特性曲線可劃分為（01）阻斷區、（12）轉折區、（23）負阻區及（34）導通區。如圖5所示。（一）正向工作區1、正向阻斷區（01）區域 當AK之間加正向電壓時，和結承受正向電壓，而結承受反向電壓，外加電壓幾乎全部落

4、在結身上。反偏結起到阻斷電流的作用，這時晶閘管是不導通。2、雪崩區（12也稱轉折區） 當外加電壓上升接近結的雪崩擊穿電壓時，反偏結空間電荷區寬度擴展的同時，內電場也大大增強，從而引起倍增效應加強。于是，通過結的電流突然增大，并使得流過器件的電流也增大。此時，通過結的電流，由原來的反向電流轉變為主要由和結注入的載流子經過基區衰減而在結空間電荷區倍增了的電流，這就是電壓增加，電流急劇增加的雪崩區。因此區域發生特性曲線轉折，故稱轉折區。3、負載區（23）當外加電壓大于轉折電壓時候，結空間電荷區雪崩倍增所產生大量的電子空穴對，受到反向反向電場的抽取作用，電子進入區，空穴進入區，由于不能很快的復合，所以

5、造成結兩側附近發生載流子積累：空穴在區、電子在區，補償離化雜質電荷，使得空間電荷區變窄。由此使得區電位升高、區電位下降，起了抵消外電場作用。隨著結上外加電壓下降，雪崩倍增效效應也隨之減弱。另一方面和結的正向電壓卻有所增強，注入增加，造成通過結的電流增大，于是出現了電流增加電壓減小的負阻現象。4、低阻通態區（34）如上所述，倍增效應使得結兩側形成電子和空穴的積累，造成結反偏電壓減小；同時又使得和結注入增強，電路增大，因而結兩側繼續有電荷積累，結電壓不斷下降。當電壓下降到雪崩倍增停止以后，結電壓全部被抵銷后，結兩側仍有空穴和電子積累，結變為正偏。此時、和結全部正偏，器件可以通過大電流，因為處于低阻

6、通態區。完全導通時，其伏安特性曲線與整流元件相似。（二）反向工作區（05）器件工作在反向時候，和結反偏，由于重摻雜的結擊穿電壓很低，結承受了幾乎全部的外加電壓。器件伏安特性就為反偏二極管的伏安特性曲線。因此，PNPN晶閘管存在反向阻斷區，而當電壓增大到結擊穿電壓以上，由于雪崩倍增效應，電流急劇增大，此時晶閘管被擊穿。圖4 晶閘管的門極電流對電流電壓特性曲線的影響四、晶閘管的特性方程一個PNPN四層結構的兩端器件，可以看成電流放大系數分別為和的和晶體管，其中結為共用集電結，如圖6所示。當器件加正向電壓時。正偏結注入空穴經過區的輸運，到達集電極結（）空穴電流為；而正偏的結注入電子，經過區的輸運到達

7、結的電流為。由于結處于反向，通過結的電流還包括自身的反向飽和電流。由圖6可知，通過結的電流為上述三者之和，即 （1）假定發射效率，根據電流連續性原理，所以公式（1）變成： （2）公式說明，當正向電壓小于結的雪崩擊穿電壓，倍增效應很小，注入電流也很小，所以和也很小，故有 （3）此時的也很小。所以和結正偏，所以增加只能使結反偏壓增大，并不能使及增加很多，因而器件始終處于阻斷狀態，流過器件的電流與同一數量級。因此將公式（3）稱為阻斷條件。當增加使得結反偏壓增大而發生雪崩倍增時候，假定倍增因子，則、和都將增大M倍，故（2）變成 （4）此時分母變小，將隨的增長而迅速增加，所以當 （5）便達到雪崩穩定狀態

8、極限（），電流將趨于無窮大，因此（5）式稱為正向轉折條件。準確的轉折點條件，是根據特性曲線下降段的起點來標志轉折點。在這點，現在利用這個特點，由特性曲線方程式（4）推導轉折點條件。因為和是電流的函數，M是的函數，可近似用，為常數，對（4）求導，計算結果是 （6）由于轉折電壓低于擊穿電壓，故為一恒定值。分母也為恒定值，由于，分子也必須為零，可得到 （7）根據晶體管直流電壓放大系數的定義， （8）即可得到小信號電流放大系數 （9）利用公式（9）可把公式（7）變為 （10）即在轉折點，倍增因子與小信號之和的乘積剛好為1。PNPN結構只要滿足上式，便具有開關特性，即可以從斷態轉變成通態。由于是隨著電流

9、變化的，當增大，和都隨之增大。由此可知，在電流較大時，滿足（6）的M值反而可以減小。這說明增大，相應減小，這正是圖5中曲線（23）所示的負阻段。既是電流的函數名同時也是集電結電壓的函數，當一定時電流增大則相應的集電結反偏壓減小。當電流很大，會出現 （6）根據方程（2），結提供一個通態電流（）。因此結必須正偏，于是、和結全部正偏，器件處于導通。這便是圖5中的低壓大電流段。器件有斷態變為通態，關鍵在于結必須由反偏轉為正偏。結反向專為正向的條件是區、區分別應有空穴和電子積累。從圖（6）可以看出，區有空穴積累的條件是，結注入并且被收集到區的空穴量要大于同通過復合而消失的空穴量，即 （7）因為，所以得到

10、。只要條件成立，區的空穴積累同樣，區電子積累條件為 （8）故 （9）可見當條件滿足時候，區電位為正，區電位為負。結變為正偏，器件處于導通狀態，所以稱為導通條件。五、門極觸發原理如圖5-7所示，斷態時，晶閘管的和結處于輕微的正偏，結處于反偏，承受幾乎全部斷態電壓。由于受反向結所限，器件只能流過很小的漏電流。若在門極相對于陰極加正向電壓，便會有一股與陽極電流同方向的門極電流通過結，于是通過結的電流便不再受反偏結限制。只要改變加在結上的電壓，便可以控制結的電流大小。增大時，通過結的電流的電流也隨著增大，由此引起區向區注入大量的電子。注入區的電子，一部分與空穴復合，形成門極電流的一部分，另一部分電子在

11、區通過擴散到達結被收集到區，由此引起通過結電子電流增加，隨之增大。電子被收集到區使得該地區電位下降，從而使得結更加正偏，注入空穴電流增大，于是通過結構的電流也增大。而和都是電流的函數，它將隨著電流增大而變大。這樣，當門極電流足夠大時候，就會使得通過器件的電流增大，使得條件成立。所以，當加門極信號時候，器件可以在較小的電壓下觸發導通。越大，導通時候的轉折電壓就越低，如圖4所示。對于三端晶閘管，如圖所示7，通過結的各電流分量之和仍然等于總電流，即 （1） （2） （3） （4）將（1）和（3）分別代入（4）有 （5）當考慮倍增效應情況下，各電流分量經過結空間電荷區后都要增大M倍，因此 （8） （9

12、） （當M=1） （10）這就是晶閘管的特性方程，它表明晶閘管加正向電壓時，陽極電流與和以及和的關系。（一） 當時特性曲線就變成PNPN兩端器件的特性方程在沒有結作用（）情況下 當、，而情況下，條件下，電流只比稍微大一些，因此同樣說明阻斷特性。故將稱為阻斷條件。（二）當時 當時，必須為零，它是電流連續性的必要條件，意味著結電壓，因為只有此時結本身對電流沒有作用，電流特性曲線發生轉折。（三）當時是的函數，是的函數。對于同樣的外加電壓（即M）相同，時的漏電流比時的漏電流大。表現在阻斷特性上就是越大，曲線越向大電流方向移動。另一方面，當時，器件發生轉折。如果電壓保持不變（即M相同），那么可以通過加大

13、門極電流使得變大，直到發生轉折。只要所加的足夠大，在電壓很低的情況下，同樣可以達到轉折條件，甚至可以使得阻斷曲線完全消失（見圖4中的那條曲線）。，這點標志正向阻斷狀態的結束，同時又是導通的開始。所以處為轉折點。（四）當時，根據(19)，結提供了一個通態電流（）此時，由于，器件的正向壓降小于和結的壓降之和。五、晶閘管的特點從圖5我們可以看出晶閘管具有以下特點：l 晶閘管的基本結構是PNPN結構，四層結構的物理模型是晶閘管工作原理的物理基礎。主要特征是，在伏安特性曲線的第一象限內，都具有負阻特性。l 晶閘管在正向（第一象限內）工作時，具有穩定的斷態和通態，而且可以在斷態與通態之間互相轉換，它是晶閘

14、管族系的共同特點。處于斷態的晶閘管，當加上足夠大的觸發電流時（幾號安幾百毫安），器件便會提前轉折而導通。器件可以通過（11000A）以上的大電流，正向壓降很小，晶閘管導通后，撤去門極電流，器件仍能維持導通狀態，直到陽極電流下降到低于，器件才會重新回到阻斷狀態。所以晶閘管和一般的整流管不同，它具有“可控”整流的特點。l 晶閘管由斷態轉變為通態的觸發方式，即可以采用電壓轉折，也可以用電信號、光信號以及溫度變化等方式來實現。因而可利用不同的觸發方式制造出使用各種用途的派生器件。l 在反向工作區（第三象限），除了具有阻斷能力外們也可以通過適當的結構設計，使之也能從斷態轉化通態或反向導通，實現反方向也能導電，如雙向、逆導管。l 與功率開關晶體管相比，晶閘管具有特殊的優點。晶閘管工作時，主電流流通的全過程，控制信號（基極電流）必須維持，使得控制回路消耗較多的功率。而且晶閘管則不同，一旦導通，撤去控制信號，使得控制回路大為簡化。由于晶閘管只能工作在大電流、低電壓的通態或者高電壓、小電流的正向或反向阻斷狀態。在這兩種情況下，器件本身消耗的功率與器件以開關方式進行轉換的功率相比是微不足道的。六、晶閘管的主要參數及意義1、門極觸發電流（IGT） 使