晶闸管地结构以及工作原理

1、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。

2、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

3、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。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 Vak ：Vr。，Ia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

4、PN结，特性曲线可划分为（01 ）阻断区、（12）转折区、（23）负阻区及（34）导通区。如图5所示。（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，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（12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

5、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（23）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

6、，于是出现了电流增加电压减小的负阻现象。4、低阻通态区（34）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（05）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

7、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

8、流为上述三者之和，即(1)1 J =1 12 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 =MM，则I

9、co、-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

10、2) dlAdlAdM(->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

11、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（23）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21（ 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，J

12、i结注入并且被J2收集到P2区的空穴量：-iIa要大于同 （12）"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

13、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

14、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

15、K Ml co（8）M （I CO '2 1 G ）（9）1 - M （_： J =2）1 CO1 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（：1J = 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 =

16、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。对于同样的外加电压（即 M相同， Ig -0时的漏电流比Ig =0时的漏电流大。表现在阻断特性上就是Ig越大，曲线 越向大电流方向移动。另一方面，当M（1 一）1时，Ia，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IG使得：2（IA IG）变大，直到M（1 边）"1发生转折。只要所加的Ig足够大，在电压Va很低的情况下，同样可以达到转折条

17、件，甚至可以使得阻断曲线完全消失（见图4中的Ig3那条曲线）。M（1 ：j）r 1，I A ，这点标志正向阻断状态的结束，同时又是导通的开始。所以dVA =0处为转折点。dlA（四）当： 2）1时，根据（19），J2结提供了一个通态电流（lc。：0）此时,由于Vak =V1 -V2 +V3 £乂 +V3，器件的正向压降小于J1和J3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吉构，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

18、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IG时（几号安几百毫安），器件便会提前转折而导 通。器件可以通过（11000A以上的大电流，正向压降很小，晶闸管导通后， 撤去门极电流Ig，器件仍能维持导通状态，直到阳极电流Ia下降到低于Ih， 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来实现。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

19、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。晶闸管工作时，主电流流 通的全过程，控制信号（基极电流）必须维持，使得控制回路消耗较多的功 率。而且晶闸管则不同，一旦导通，撤去控制信号，使得控制回路大为简化。 由于晶闸管只能工作在大电流、低电压的通态或者高电压、小电流的正向或 反向阻断状态。在这两种情况下，器件本身消耗的功率与器件以开关方式进 行转换的功率相比是微不足道的。六、晶闸管的主要参数及意义1、门极触发电流（Igt）使晶闸管从阻断到完全导通所必须的最小门极电流2、极触发电压（V）对应于门极触发电流的门

20、极电压。3、维持电流（I H）门极断路，在室温条件下，晶闸管被触发导通后，为维持导通所必需的最小 电流。4、断态重复峰值电压（VdrM门极断路、并在一定结温下，允许重复加在器件上的正向峰值电压。（重复频率为每秒50次，每次持续时间小于10mS5、反向重复峰值电压门极断路、并在一定结温下，允许重复加在器件上的反向峰值电压。（重复频率为每秒50次，每次持续时间小于10mS6断态电压临界上升率在额定结温下，实验题目：晶闸管综合参数测试实验目的：理解晶闸管的基本理论，了解晶闸管参数的物理意义（晶闸管触发电压VgT、触发电流| GT和维持电流| H三项参数1概述本仪器是晶闸管触发电压 Wt、触发电流Ig

21、t和维持电流Ih三项参数的专用测 试设备。适用于各种反向阻断晶闸管，逆导晶闸管及双向晶闸管的参数测试。本测试仪设计先进，结构合理，操作简便。并具有数字显示，自动测试等功能。其 技术指标符合GB4024-83标准的规定，是电力半导体器件生产厂和使用单位最为 理想的检测设备。2技术参数 2.1 A（T 2）、K（Ti）间的断态电压：DC 12V（内部限流电阻6.8 Q）2.2触发电流、维持电流测量范围：1-450mA2.3触发电压测量范围：0-7V2.4测量时间：小于2S2.5工作条件电源:AC 220V± 10% 50HZ温度：0-40 C2.6整机功耗：小于75VA2.7整机重量：约

22、10Kg2.8 整机尺寸：440X 440X 150mm3结构特征本仪器为箱式结构，数字显示，读数直观方便。前部是面板，装有控制键、 数字显示表和接线端子等。后盖板上装有三芯电源插座和保险丝盒（保险丝为0.5A/250V） 0三线电源插头的地端要可靠接地，以确保测试人员的安全和测试精 度。4使用方法 4.1面板说明（参见面板图）“电源”开关此开关掷向开时，内藏指示灯亮，电源接通电流(mA)电压(V)BBB0BBSS电源关开AG沈阳信达电力电子有限公司测试 口复位 口图4.1 面板图4.1.2 “ A(T2)、K(Ti)、G 接线端子 被测器件接线端子4.1.3 “ mA电流显示表显示被测器件的触发(维持)电流，单位毫安。4.1.4 “ V”电压显示表显示被测器件的触发电压，单位伏特。4.1.5 “ IgI +”触发象限选择键 按动此键，内藏指示灯亮，主回路于触发电流待测状态。4.1.6 “IgI -”触发象限选择键按动此键，内藏指示灯亮，主回路 于触发电流待测状态。4.1.7 “Ig”触发象限选择键按动此键，内藏指示灯亮，主回路 于触发电流待测状态。4.1.8 “Ih”功能选择键按动此键，内藏指示灯亮，“ mA 仪器处于维持电流待测状态。