晶閘管在阻斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)的工作原理詳細(xì)概述

晶閘管的基本工作原理體現(xiàn)在阻態(tài)、通態(tài)以及阻態(tài)和通態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

首先看晶閘管的反向阻斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管門(mén)極開(kāi)路，陽(yáng)極和陰極處于反向偏置，即陽(yáng)極電位低、陰極電位高時(shí)，晶閘管中的空間電荷區(qū)分布和電子、空穴流如圖1所示。此時(shí)J2結(jié)為正偏置，J1和J3結(jié)反偏置，圖中假設(shè)J2結(jié)的注入效率為1。由于J3結(jié)兩側(cè)雜質(zhì)濃度高（重?fù)诫s區(qū)），在低壓下即發(fā)生齊納擊穿，無(wú)承受電壓的能力，電壓幾乎都加在J1結(jié)上。因此，器件的反向特性與單PN結(jié)器件的反向特性相似。當(dāng)外加電壓增加至J1結(jié)雪崩擊穿電壓時(shí)，發(fā)生反向擊穿現(xiàn)象。

圖1 晶閘管反偏阻斷時(shí)的載流子流示意圖

然后看晶閘管的正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管門(mén)極開(kāi)路，陽(yáng)極和陰極處于正向偏置，即陽(yáng)極電位高、陰極電位低時(shí)，晶閘管中的空間電荷區(qū)分布和電子、空穴流如圖2所示。

圖2 晶閘管正偏阻斷時(shí)的載流子流示意圖

此時(shí)J2結(jié)為反偏置，J1和J3結(jié)為正偏置，外加電壓幾乎全部降落在J2結(jié)上。通過(guò)器件的電流近似為J2結(jié)的反向飽和電流，器件處于正向阻斷狀態(tài)。而通過(guò)J1和J3結(jié)正偏置少子注入效應(yīng)注入的空穴、電子分別在N1和P2區(qū)進(jìn)行了部分內(nèi)復(fù)合，然后通過(guò)J2結(jié)的反偏置少子抽出效應(yīng)，分別被抽出到P2和N1區(qū)。當(dāng)外加電壓增加至J2結(jié)雪崩擊穿電壓時(shí)，J2結(jié)空間電荷區(qū)寬度增加，電場(chǎng)增強(qiáng)，并發(fā)生顯著的雪崩倍增效應(yīng)。于是，通過(guò)J2結(jié)的電流增加，也就是通過(guò)器件的電流增大，由原來(lái)的J2結(jié)反向漏電流轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)J2結(jié)雪崩倍增的電流，器件處于轉(zhuǎn)折狀態(tài)。J2結(jié)兩側(cè)的N1和P2區(qū)內(nèi)開(kāi)始有電子、空穴來(lái)不及復(fù)合而不斷積累。這些積累的載流子一方面補(bǔ)償了J2結(jié)空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子，使空間電荷區(qū)寬度變窄，電場(chǎng)削弱，雪崩倍增效應(yīng)減弱，起著抵消外加電壓的作用，引起耐壓降低；另一方面，P2區(qū)積累的空穴，N1區(qū)積累的電子使P2區(qū)電位升高，N1區(qū)電位降低，致使J3和J1結(jié)正偏壓升高，正向注入效應(yīng)增強(qiáng)，通過(guò)J2結(jié)的電流進(jìn)一步增大。隨著J2結(jié)兩側(cè)載流子的不斷積累，其空間電荷區(qū)電場(chǎng)、雪崩倍增效應(yīng)亦不斷削弱，當(dāng)雪崩倍增效應(yīng)完全消失時(shí)，J2結(jié)兩側(cè)仍能維持電荷的積累，這樣，J1、J3結(jié)正向注入而到達(dá)J2結(jié)兩側(cè)積累起來(lái)的載流子，最終使J2由負(fù)偏壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎蚱谩?個(gè)結(jié)都處于正向偏置下，允許通過(guò)很大的電流，器件處于正向?qū)顟B(tài)?？偟目瓷先サ男Ч牵词乖陂T(mén)極開(kāi)路的情況，晶閘管的正向電壓逐漸增加到一個(gè)轉(zhuǎn)折電壓后開(kāi)始進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)門(mén)極有電流輸入時(shí)，此轉(zhuǎn)折電壓會(huì)降低。

而對(duì)于反向阻斷狀態(tài)來(lái)說(shuō)，在承壓的兩側(cè)不會(huì)發(fā)生載流子的積累，因此不存在轉(zhuǎn)折電壓進(jìn)人導(dǎo)通狀態(tài)。

最后來(lái)看晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，在J2結(jié)兩側(cè)累積大量的不平衡載流子。當(dāng)流經(jīng)晶閘管中的電流較大時(shí)，注人到N1和P2區(qū)來(lái)不及復(fù)合而積累下來(lái)的過(guò)剩載流子的濃度遠(yuǎn)大于這兩區(qū)內(nèi)雜質(zhì)原子的濃度，使這兩個(gè)區(qū)都表現(xiàn)得像本征區(qū)一樣，此時(shí)整個(gè)晶閘管看上去就像一個(gè)PIN二極管一樣工作（此時(shí)晶閘管處于擎住，不需要門(mén)極電流流入），其通態(tài)特性也和PIN二極管表現(xiàn)一樣。但是當(dāng)流經(jīng)晶閘管中的電流較小時(shí)，其通態(tài)的工作原理就比較復(fù)雜。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流經(jīng)晶閘管中的電流小到一定程度時(shí)，大面積晶閘管中只有部分器件面積是開(kāi)通的。在開(kāi)通部分和不導(dǎo)電部分之間存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)，如圖3所示。

圖3 流經(jīng)小電流時(shí)晶閘管的導(dǎo)通情況

其中，Ⅰ區(qū)是導(dǎo)通區(qū)，Ⅱ區(qū)是過(guò)渡區(qū)，Ⅲ區(qū)是未導(dǎo)通區(qū)。如果流經(jīng)電流慢慢增大，開(kāi)通的區(qū)域會(huì)逐漸擴(kuò)展。

為了能定量地分析晶閘管開(kāi)通和通態(tài)情況，可以使用雙晶體管等效電路。將PNPN結(jié)構(gòu)的晶閘管拆成兩個(gè)相互連接的PNP和NPN型晶體管的過(guò)程如圖4所示，其中一個(gè)晶體管的集電極同時(shí)又是另一管的基板，這種結(jié)構(gòu)形成了內(nèi)部的正反饋聯(lián)系。每個(gè)晶體管中的兩個(gè)PN結(jié)相互作用，體現(xiàn)為晶體管的電流放大系數(shù)。兩個(gè)晶體管的電流放大系數(shù)分別為α1和α2，此時(shí)不用再考慮晶體管內(nèi)部的電子、空穴流分布，直接使用電流放大系數(shù)來(lái)聯(lián)系晶體管的集電極和發(fā)射極電流，就可以對(duì)晶閘管的工作原理進(jìn)行討論。

圖4 晶閘管的雙晶體管模型

在晶閘管加上正向電壓時(shí)，如果門(mén)極也加上正向電壓，則有電流IG從門(mén)極流入 NPN管的基極。NPN管導(dǎo)通后，其集電極電流IC2流入PNP管的基極，并使其導(dǎo)通，于是該管的集電極電流IC1又流入NPN管的基極。如此往復(fù)循環(huán)，形成強(qiáng)烈的正反饋過(guò)程，導(dǎo)致兩個(gè)晶體管均飽和導(dǎo)通，使晶閘管迅速由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)。

注意到IA和IK分別為PNP和NPN管的發(fā)射極電流，則有

在J2結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)作用下，流過(guò)該結(jié)的反向漏電流是IC0，則晶閘管的陽(yáng)極電流為

假定晶體管的門(mén)極電流為IG，則晶閘管的陰極電流為

合并之，得晶閘管的陽(yáng)極電流為

由此可見(jiàn)，處于正向偏置下的晶閘管，當(dāng)兩個(gè)晶體管的電流放大系數(shù)之和趨于1時(shí)，陽(yáng)極電流就趨于無(wú)窮大（或者說(shuō)由外電路來(lái)決定），晶閘管被門(mén)極信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通。所以說(shuō)，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的必要條件是：

而當(dāng)正向偏置電壓極高，使J2結(jié)發(fā)生載流子倍增，存在倍增系數(shù)M則上述關(guān)系變?yōu)?/p>

這就是前面分析的有門(mén)極電流時(shí)，此正向阻態(tài)的轉(zhuǎn)折電壓會(huì)降低。

在晶體管的分析中知道，晶體管的電流放大系數(shù)并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨流經(jīng)電流變化而變化，晶閘管中的兩個(gè)等效晶體管電流放大系數(shù)也是如此。某個(gè)晶閘管的兩個(gè)電流放大系數(shù)如圖5所示。當(dāng)晶閘管已經(jīng)能夠?qū)ǎ伊鹘?jīng)電流達(dá)到一定程度時(shí)，即使不需要門(mén)極電流，陽(yáng)極電流仍能維持，這種現(xiàn)象叫做擎住效應(yīng)。這是晶閘管與晶體管的一個(gè)非常重要的區(qū)別，晶體管在無(wú)基極電流時(shí)會(huì)關(guān)斷。當(dāng)然，每個(gè)等效晶體管電流放大系數(shù)的改變會(huì)有多種原因，比如溫度、光照或者du/dt引起的位移電流，它們都可以成為晶閘管從阻態(tài)進(jìn)入通態(tài)的觸發(fā)條件。

圖5 電流放大系數(shù)隨電流變化的曲線

綜上所述，晶閘管的伏安特性曲線的表示如圖6所示。在正向偏置下，器件處于正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)偏置電壓較高時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折了，由阻態(tài)進(jìn)入通態(tài)，這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可以由電壓引起，也可以由門(mén)極電流引起（或者其他原因），當(dāng)門(mén)極通入適當(dāng)電流時(shí)，在一定的偏置電壓下可以觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管，此時(shí)即使去掉門(mén)極電流，器件仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)不變?？梢?jiàn)，晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用。因此，觸發(fā)電流常采用脈沖電流，而無(wú)需采用直流。導(dǎo)通之后，只要流過(guò)器件的電流逐漸減小到某值，器件又可恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。這種關(guān)斷方式稱為自然關(guān)斷，除此之外，還可在陽(yáng)陰極之間采用加反偏壓的方法進(jìn)行強(qiáng)迫關(guān)斷。在反向偏置下，其伏安特性和二極管的完全相同。

圖6 晶閘管伏安特性示意圖