晶閘管在阻斷狀態(tài)和導通狀態(tài)的工作原理詳細概述

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)。當晶閘管門極開路，陽極和陰極處于反向偏置，即陽極電位低、陰極電位高時，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J2結(jié)為正偏置，J1和J3結(jié)反偏置，圖中假設J2結(jié)的注入效率為1。由于J3結(jié)兩側(cè)雜質(zhì)濃度高（重摻雜區(qū)），在低壓下即發(fā)生齊納擊穿，無承受電壓的能力，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。當外加電壓增加至J1結(jié)雪崩擊穿電壓時，發(fā)生反向擊穿現(xiàn)象。

圖1 晶閘管反偏阻斷時的載流子流示意圖

然后看晶閘管的正向阻斷狀態(tài)。當晶閘管門極開路，陽極和陰極處于正向偏置，即陽極電位高、陰極電位低時，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 晶閘管正偏阻斷時的載流子流示意圖

此時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J1和J3結(jié)正偏置少子注入效應注入的空穴、電子分別在N1和P2區(qū)進行了部分內(nèi)復合，然后通過J2結(jié)的反偏置少子抽出效應，分別被抽出到P2和N1區(qū)。當外加電壓增加至J2結(jié)雪崩擊穿電壓時，J2結(jié)空間電荷區(qū)寬度增加，電場增強，并發(fā)生顯著的雪崩倍增效應。于是，通過J2結(jié)的電流增加，也就是通過器件的電流增大，由原來的J2結(jié)反向漏電流轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^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)開始有電子、空穴來不及復合而不斷積累。這些積累的載流子一方面補償了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，電場削弱，雪崩倍增效應減弱，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，正向注入效應增強，通過J2結(jié)的電流進一步增大。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、雪崩倍增效應亦不斷削弱，當雪崩倍增效應完全消失時，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J2結(jié)兩側(cè)積累起來的載流子，最終使J2由負偏壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎蚱谩?個結(jié)都處于正向偏置下，允許通過很大的電流，器件處于正向?qū)顟B(tài)?？偟目瓷先サ男Ч?，即使在門極開路的情況，晶閘管的正向電壓逐漸增加到一個轉(zhuǎn)折電壓后開始進入導通狀態(tài)，當門極有電流輸入時，此轉(zhuǎn)折電壓會降低。

而對于反向阻斷狀態(tài)來說，在承壓的兩側(cè)不會發(fā)生載流子的積累，因此不存在轉(zhuǎn)折電壓進人導通狀態(tài)。

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

圖3 流經(jīng)小電流時晶閘管的導通情況

其中，Ⅰ區(qū)是導通區(qū)，Ⅱ區(qū)是過渡區(qū)，Ⅲ區(qū)是未導通區(qū)。如果流經(jīng)電流慢慢增大，開通的區(qū)域會逐漸擴展。

為了能定量地分析晶閘管開通和通態(tài)情況，可以使用雙晶體管等效電路。將PNPN結(jié)構(gòu)的晶閘管拆成兩個相互連接的PNP和NPN型晶體管的過程如圖4所示，其中一個晶體管的集電極同時又是另一管的基板，這種結(jié)構(gòu)形成了內(nèi)部的正反饋聯(lián)系。每個晶體管中的兩個PN結(jié)相互作用，體現(xiàn)為晶體管的電流放大系數(shù)。兩個晶體管的電流放大系數(shù)分別為α1和α2，此時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)來聯(lián)系晶體管的集電極和發(fā)射極電流，就可以對晶閘管的工作原理進行討論。

圖4 晶閘管的雙晶體管模型

在晶閘管加上正向電壓時，如果門極也加上正向電壓，則有電流IG從門極流入 NPN管的基極。NPN管導通后，其集電極電流IC2流入PNP管的基極，并使其導通，于是該管的集電極電流IC1又流入NPN管的基極。如此往復循環(huán)，形成強烈的正反饋過程，導致兩個晶體管均飽和導通，使晶閘管迅速由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導通狀態(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)電場作用下，流過該結(jié)的反向漏電流是IC0，則晶閘管的陽極電流為

假定晶體管的門極電流為IG，則晶閘管的陰極電流為

合并之，得晶閘管的陽極電流為

由此可見，處于正向偏置下的晶閘管，當兩個晶體管的電流放大系數(shù)之和趨于1時，陽極電流就趨于無窮大（或者說由外電路來決定），晶閘管被門極信號觸發(fā)導通。所以說，晶閘管觸發(fā)導通的必要條件是：

而當正向偏置電壓極高，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極電流時，此正向阻態(tài)的轉(zhuǎn)折電壓會降低。

在晶體管的分析中知道，晶體管的電流放大系數(shù)并不是一個常數(shù)，而是隨流經(jīng)電流變化而變化，晶閘管中的兩個等效晶體管電流放大系數(shù)也是如此。某個晶閘管的兩個電流放大系數(shù)如圖5所示。當晶閘管已經(jīng)能夠?qū)?，且流?jīng)電流達到一定程度時，即使不需要門極電流，陽極電流仍能維持，這種現(xiàn)象叫做擎住效應。這是晶閘管與晶體管的一個非常重要的區(qū)別，晶體管在無基極電流時會關(guān)斷。當然，每個等效晶體管電流放大系數(shù)的改變會有多種原因，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)，當偏置電壓較高時發(fā)生轉(zhuǎn)折了，由阻態(tài)進入通態(tài)，這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可以由電壓引起，也可以由門極電流引起（或者其他原因），當門極通入適當電流時，在一定的偏置電壓下可以觸發(fā)導通晶閘管，此時即使去掉門極電流，器件仍能維持導通狀態(tài)不變。可見，晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。因此，觸發(fā)電流常采用脈沖電流，而無需采用直流。導通之后，只要流過器件的電流逐漸減小到某值，器件又可恢復到阻斷狀態(tài)。這種關(guān)斷方式稱為自然關(guān)斷，除此之外，還可在陽陰極之間采用加反偏壓的方法進行強迫關(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