晶闸管的结构与工作原理

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 所示阳摄!仏图 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PNP结构,1 1 2然后在P的大部分区域扩散N型杂质（磷或锑）形成阴极，同时在P上引出门22极，在p区域形成欧姆接触作为阳极1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V加正向电压时，J和J正偏，J反偏，外加电压几乎全部降AK 1 3 2落在J结上，J结起到阻断电流的作用随着V的增大，只要V < V ，通2 2 AK AK BO过阳极电流I都很小，因而称此区域为正向阻断状态当V增大超过V以后,A AK BO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I，器件压降为IV左右，特性曲线CD段对应的状T态称为导通状态通常将V及其所对应的I称之为正向转折电压和转折电流BO BO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 I 的某一临界值以下，器件才H能被关断当晶闸管处于断态（V < V ）时，如果使得门极相对于阴极为正，给门AK BO极通以电流I，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通转折电压V以及转折G BO电流I都是I的函数，I越大，v越小如图3所示，晶闸管一旦导通后，BO G G BO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V < V ，I很小，且与I基本无AK RO A G关但反向电压很大时（V〜V ），通过晶闸管的反向漏电流急剧增大，表现AK RO出晶闸管击穿，因此称V为反向转折电压和转折电流RO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1、正向阻断区（0~1）区域当AK之间加正向电压时，j和j结承受正向电压，而j结承受反向电压,1 3 2外加电压几乎全部落在j结身上。

反偏j结起到阻断电流的作用，这时晶闸管 22是不导通2、雪崩区（1~2 也称转折区）当外加电压上升接近j结的雪崩击穿电压v 时，反偏J结空间电荷区宽2 Bj 2 2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 j 结2的电流突然增大，并使得流过器件的电流也增大此时，通过 j 结的电流，由2原来的反向电流转变为主要由j和j结注入的载流子经过基区衰减而在j结空1 3 2 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， j 结空间电荷区雪崩倍增所产生大量的电2子一空穴对，受到反向反向电场的抽取作用，电子进入N区，空穴进入P区，12由于不能很快的复合，所以造成 j 结两侧附近发生载流子积累：空穴在 P 区、22电子在N区，补偿离化杂质电荷，使得空间电荷区变窄由此使得P区电位升12高、N区电位下降，起了抵消外电场作用随着J结上外加电压下降，雪崩倍12增效效应也随之减弱另一方面J和J结的正向电压却有所增强，注入增加，13造成通过J结的电流增大，于是出现了电流增加电压减小的负阻现象24、低阻通态区（3~4）如上所述，倍增效应使得 J 结两侧形成电子和空穴的积累，造成 J 结反偏22电压减小；同时又使得 J 和 J 结注入增强，电路增大，因而 J 结两侧继续有电1 3 2 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，J结两侧仍有空穴和电子积累，J结变为正偏此时J、J和J结全部正2 2 1 2 3 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， J 和 J 结反偏，由于重掺杂的 J 结击穿电压很低， J1 3 3 1 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J结击穿电压以上，由于1 雪崩倍增效应，电流急剧增大，此时晶闸管被击穿I,"5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 12P N P和N P N晶体管，其中J结为共用集电结，如图6所示当器件加正向 1 1 2 1 2 2 2电压时正偏J结注入空穴经过N区的输运，到达集电极结（J）空穴电流为1 1 2a I ；而正偏的J结注入电子，经过P区的输运到达J结的电流为a I由于1 A 3 2 2 2 KJ结处于反向，通过J结的电流还包括自身的反向饱和电流I 。

2 2 CO由图 6 可知，通过 J 结的电流为上述三者之和，即2I = a I + a I + I （1）J 2 1 A 2 K CO假定发射效率y =y = 1，根据电流连续性原理I = I = I，所以公式（1）1 2 J 2 A K2)变成：= COA 1 - (a + a )12公式说明，当正向电压小于J结的雪崩击穿电压V，倍增效应很小，注入电流2B也很小，所以a和a也很小，故有12a+a< 1 （3）12此时的I也很小所以J和J结正偏，所以增加V只能使J结反偏压增大,CO 1 3 AK 2并不能使I及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ICO A CO同一数量级因此将公式（3）称为阻断条件当 V 增加使得 J 结反偏压增大而发生雪崩倍增时候，假定倍增因子AK 2M = M = M，则I 、a和a都将增大M倍，故（2）变成n p CO 1 2MII = CO A 1 一 M （a + a ）12此时分母变小，I将随V的增长而迅速增加，所以当A AK5）便达到雪崩稳定状态极限（ V = V ），电流将趋于无穷大，因此（5）式称为AK BO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dV d 2V—A^ = 0 , < 0dI dI 2AA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a和a12是电流的函数， M 是 V 的函数，可近似用 M （V ） = M （V ） ， I 为常数，对（ 4）J 2 J 2 AK CO求导卫=，计算结果是dVAK1 — M (a + Id a —+ Ida1一 M a2)dV11AdI2AdIAK==AAdIdIdMAA(a I +aI+ 1 )dV1A2ACOdVAKAK6)由于转折电压低于击穿电压，故dM为一恒定值分母也为恒定值,由于dVAKV” = 0，分子也必须为零，可得到dIAM (a1d a+ I 1) + M (aA dI 2Ada2)= 1 dI根据晶体管直流电压放大系数的定义，I = a I + IC E CBO即可得到小信号电流放大系数~ dI d aa = C = a + IdI E dIEE7)8)9)利用公式（9）可把公式（7）变为M (a + a ) = 112即在转折点，倍增因子与小信号a之和的乘积刚好为1pnpn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a是随着电流I变化的，当I增大，a和a都随之增大。

由此可知，E A 1 2在电流较大时，满足（6）的M值反而可以减小这说明I增大，V相应减小,A AK 这正是图5 中曲线（2~3）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a 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a+a> 1 （6）12根据方程（2）, j结提供一个通态电流（i < o）因此J结必须正偏，于是2 CO 2J 、J 和 J 结全部正偏，器件处于导通这便是图5中的低压大电流段 123器件有断态变为通态，关键在于 J 结必须由反偏转为正偏 J 结反向专为2正向的条件是P区、N区分别应有空穴和电子积累从图（6）可以看出，p区 1有空穴积累的条件是，结注入并且被 J 收集到 P 区的空穴量a I 要大于同1A（1 -a ）I通过复合而消失的空穴量，即2Ka I > (1 - a ) I1 A 2 K7)因为I = I，所以得到a +a > 1只要条件成立,AKP 区的空穴积累同样， N 区2电子积累条件为a I > (1 - a ) I2 A 1 K8)a + a > 112可见当a +a > 1条件满足时候，P区电位为正,12N 区电位为负。

J 结变为正1偏，器件处于导通状态，所以a +a >1称为导通条件12五、门极触发原理如图 5-7 所示，断态时，晶闸管的 J 和 J 结处于轻微的正偏， J 结处于反 1 3 2偏，承受几乎全部断态电压由于受反向 J 结所限，器件只能流过很小的漏电 2流若在门极相对于阴极加正向电压 V ，便会有一股与阳极电流同方向的门极G电流I通过J结，于是通过J结的电流便不再受反偏J结限制只要改变加在 G 3 3 2J结上的电压，便可以控制J结的电流大小I增大时，通过J结的电流的电 3 3 G 3流也随着增大，由此引起N区向P区注入大量的电子注入P区的电子，一部 2 2 2分与空穴复合，形成门极电流的一部分，另一部分电子在P区通过扩散到达J结 22被收集到N区，由此引起通过J结电子电流增加，a随之增大电子被收集到 1 2 2N 区使得该地区电位下降，从而使得 J 结更加正偏，注入空穴电流增大，于是 11通过PN P N结构的电流I也增大而a和a都是电流的函数，它将随着电流1 1 2 2 A 1 2I 增大而变大这样，当门极电流 I 足够大时候，就会使得通过器件的电流增AG大，使得a + a > 1条件成立。

所以，当加门极信号时候，器件可以在较小的电 12压下触发导通 I 越大，导通时候的转折电压就越低，如图 4 所示G对于三端晶闸管，如图所示7,通过j结的各电流分量之和仍然等于总电流2I，即A1)=a IC 2 2 A2) 3)I = I + I + I A c1 c 2 CO将( 1)和( 3)分别代入( 4)有=a I + a I + IA 1 A 2 K CO5）当考虑倍增效应情况下，各电流分量经过j结空间电荷区后都要增大M倍,因此+ MICO8）M (I + a I )CO 2—G1 — M (a + a )12I + a I= CO 2 G~A 1 — (a + a )12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a和a12以及 I 和 I 的关系G CO（一）当I = 0时G特性曲线就变成PNPN两端器件的特性方程I = COA 1 — (a + a )12在没有结作用( a = a = 0 )情况下12A CO当a、a丰0，而a +a < 1情况下，I = 0条件下，电流I只比I稍微 1 2 1 2 G A CO大一些，因此同样说明阻断特性。

故将a +a <1称为阻断条件12（二） 当 a + a = 1 时12当a +a = 1时，I必须为零，它是电流连续性的必要条件，意味着J结1 2 CO 2电压V =0，因为只有此时J结本身对电流没有作用，电流特性曲线发生转折 22（三） 当I工0时Ga是（I + I ）的函数，a是I的函数对于同样的外加电压（即M）相同,2 A G 1 AI工0时的漏电流比I = 0时的漏电流大表现在阻断特性上就是I越大，曲线G G G 越向大电流方向移动另一方面，当m （a+a ） t 1时，I T8，器件发生转折如果电压保持1 2 A不变（即M相同），那么可以通过加大门极电流I使得a （I + I ）变大，直到G 2 A GM （a +a ） t 1发生转折只要所加的I足够大，在电压V很低的情况下，同1 2 G A样可以达到转折条件，甚至可以使得阻断曲线完全消失（见图4中的I那条曲G3线）M （a +a ） t 1，I t g，这点标志正向阻断状态的结束，同时又是导通1 2 A的开始所以匚=0处为转折点dIA（四）当（a + a ） > 1时，根据（19）， j结提供了一个通态电流（I < 0）此时，1 2 2 CO由于V = V - V 1+ V < V + V，器件的正向压降小于J和J结的压降之和。

AK 12 3 13 1 3五、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（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Ig，器件仍能维持导通状态，直到阳极电流1A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（Vgt）对应于门极触发电流的门极电压3、 维持电流（ IH）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 10ms）5、 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 10ms）。