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可控硅 晶闸管

晶闸管工作原理_晶闸管的特性

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。

液阻柜

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),形成液阻柜结构,然后在液阻柜的大部分区域扩散N型杂质(磷或锑)形成阴极,同时在液阻柜上引出门极,在液阻柜区域形成欧姆接触作为阳极。

液阻柜

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。

液阻柜

图3   晶闸管的伏安特性曲线


当晶闸管液阻柜加正向电压时,液阻柜液阻柜正偏,液阻柜反偏,外加电压几乎全部降落在液阻柜结上,液阻柜结起到阻断电流的作用。随着液阻柜的增大,只要液阻柜,通过阳极电流液阻柜都很小,因而称此区域为正向阻断状态。当液阻柜增大超过液阻柜以后,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液阻柜,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。通常将液阻柜及其所对应的液阻柜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液阻柜的某一临界值以下,器件才能被关断。

当晶闸管处于断态(液阻柜)时,如果使得门极相对于阴极为正,给门极通以电流液阻柜,那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压液阻柜以及转折电流液阻柜都是液阻柜的函数,液阻柜越大,液阻柜越小。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,只要液阻柜液阻柜很小,且与液阻柜基本无关。但反向电压很大时(液阻柜),通过晶闸管的反向漏电流急剧增大,表现出晶闸管击穿,因此称液阻柜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PN结,特性曲线可划分为(0~1)阻断区、(1~2)转折区、(2~3)负阻区及(3~4)导通区。如图5所示。

液阻柜


(一)正向工作区

1、正向阻断区(0~1)区域   

当AK之间加正向电压时,液阻柜液阻柜结承受正向电压,而液阻柜结承受反向电压,外加电压几乎全部落在液阻柜结身上。反偏液阻柜结起到阻断电流的作用,这时晶闸管是不导通。

2、雪崩区(1~2也称转折区)

当外加电压上升接近液阻柜结的雪崩击穿电压液阻柜时,反偏液阻柜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,通过液阻柜结的电流突然增大,并使得流过器件的电流也增大。此时,通过液阻柜结的电流,由原来的反向电流转变为主要由液阻柜液阻柜结注入的载流子经过基区衰减而在液阻柜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(2~3)

当外加电压大于转折电压时候,液阻柜结空间电荷区雪崩倍增所产生大量的电子—空穴对,受到反向电场的抽取作用,电子进入液阻柜区,空穴进入液阻柜区,由于不能很快的复合,所以造成液阻柜结两侧附近发生载流子积累:空穴在液阻柜区、电子在液阻柜区,补偿离化杂质电荷,使得空间电荷区变窄。由此使得液阻柜区电位升高、液阻柜区电位下降,起了抵消外电场作用。随着液阻柜结上外加电压下降,雪崩倍增效效应也随之减弱。另一方面液阻柜液阻柜结的正向电压却有所增强,注入增加,造成通过液阻柜结的电流增大,于是出现了电流增加电压减小的负阻现象。

4、低阻通态区(3~4)

如上所述,倍增效应使得液阻柜结两侧形成电子和空穴的积累,造成液阻柜结反偏电压减小;同时又使得液阻柜液阻柜结注入增强,电路增大,因而液阻柜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,液阻柜结两侧仍有空穴和电子积累,液阻柜结变为正偏。此时液阻柜液阻柜液阻柜结全部正偏,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(0~5)

器件工作在反向时候,液阻柜液阻柜结反偏,由于重掺杂的液阻柜结击穿电压很低,液阻柜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,而当电压增大到液阻柜结击穿电压以上,由于雪崩倍增效应,电流急剧增大,此时晶闸管被击穿。

液阻柜

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液阻柜液阻柜液阻柜液阻柜晶体管,其中液阻柜结为共用集电结,如图6所示。当器件加正向电压时。正偏液阻柜结注入空穴经过液阻柜区的输运,到达集电极结(液阻柜)空穴电流为液阻柜;而正偏的液阻柜结注入电子,经过液阻柜区的输运到达液阻柜结的电流为液阻柜。由于液阻柜结处于反向,通过液阻柜结的电流还包括自身的反向饱和电流液阻柜



由图6可知,通过液阻柜结的电流为上述三者之和,即

液阻柜                     (1)

假定发射效率液阻柜,根据电流连续性原理液阻柜,所以公式(1)变成:

液阻柜                       (2)

公式说明,当正向电压小于液阻柜结的雪崩击穿电压液阻柜,倍增效应很小,注入电流也很小,所以液阻柜液阻柜也很小,故有

液阻柜                          (3)

此时的液阻柜也很小。所以液阻柜液阻柜结正偏,所以增加液阻柜只能使液阻柜结反偏压增大,并不能使液阻柜液阻柜增加很多,因而器件始终处于阻断状态,流过器件的电流与液阻柜同一数量级。因此将公式(3)称为阻断条件。

液阻柜增加使得液阻柜结反偏压增大而发生雪崩倍增时候,假定倍增因子液阻柜,则液阻柜液阻柜液阻柜都将增大M倍,故(2)变成

液阻柜                      (4)

此时分母变小,液阻柜将随液阻柜的增长而迅速增加,所以当

液阻柜                         (5)

便达到雪崩稳定状态极限(液阻柜),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

液阻柜液阻柜

现在利用这个特点,由特性曲线方程式(4)推导转折点条件。因为液阻柜液阻柜是电流的函数,M是液阻柜的函数,可近似用液阻柜液阻柜为常数,对(4)求导液阻柜,计算结果是

液阻柜       (6)

由于转折电压低于击穿电压,故液阻柜为一恒定值。分母也为恒定值,由于液阻柜,分子也必须为零,可得到

液阻柜             (7)

根据晶体管直流电压放大系数的定义,

液阻柜                       (8)

即可得到小信号电流放大系数

液阻柜                       (9)

利用公式(9)可把公式(7)变为

液阻柜                         (10)

即在转折点,倍增因子与小信号液阻柜之和的乘积刚好为1。PNPN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。

由于液阻柜是随着电流液阻柜变化的,当液阻柜增大,液阻柜液阻柜都随之增大。由此可知,在电流较大时,满足(6)的M值反而可以减小。这说明液阻柜增大,液阻柜相应减小,这正是图5中曲线(2~3)所示的负阻段。

液阻柜既是电流的函数名同时也是集电结电压的函数,当液阻柜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

液阻柜                              (6)

根据方程(2),液阻柜结提供一个通态电流(液阻柜)。因此液阻柜结必须正偏,于是

液阻柜液阻柜液阻柜结全部正偏,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,关键在于液阻柜结必须由反偏转为正偏。液阻柜结反向专为正向的条件是液阻柜区、液阻柜区分别应有空穴和电子积累。从图(6)可以看出,液阻柜区有空穴积累的条件是,液阻柜结注入并且被液阻柜收集到液阻柜区的空穴量液阻柜要大于同液阻柜通过复合而消失的空穴量,即

     液阻柜                      (7)

因为液阻柜,所以得到液阻柜。只要条件成立,液阻柜区的空穴积累同样,液阻柜区电子积累条件为

液阻柜                       (8)

液阻柜                           (9)

可见当液阻柜条件满足时候,液阻柜区电位为正,液阻柜区电位为负。液阻柜结变为正偏,器件处于导通状态,所以液阻柜称为导通条件。


五、门极触发原理

如图5-7所示,断态时,晶闸管的液阻柜液阻柜结处于轻微的正偏,液阻柜结处于反偏,承受几乎全部断态电压。由于受反向液阻柜结所限,器件只能流过很小的漏电流。若在门极相对于阴极加正向电压液阻柜,便会有一股与阳极电流同方向的门极电流液阻柜通过液阻柜结,于是通过液阻柜结的电流便不再受反偏液阻柜结限制。只要改变加在液阻柜结上的电压,便可以控制液阻柜结的电流大小。液阻柜增大时,通过液阻柜结的电流的电流也随着增大,由此引起液阻柜区向液阻柜区注入大量的电子。注入液阻柜区的电子,一部分与空穴复合,形成门极电流的一部分,另一部分电子在液阻柜区通过扩散到达液阻柜结被收集到液阻柜区,由此引起通过液阻柜结电子电流增加,液阻柜随之增大。电子被收集到液阻柜区使得该地区电位下降,从而使得液阻柜结更加正偏,注入空穴电流增大,于是通过液阻柜结构的电流液阻柜也增大。而液阻柜液阻柜都是电流的函数,它将随着电流液阻柜增大而变大。这样,当门极电流液阻柜足够大时候,就会使得通过器件的电流增大,使得液阻柜条件成立。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。液阻柜越大,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,通过液阻柜结的各电流分量之和仍然等于总电流液阻柜,即

液阻柜                                  (1)

 液阻柜                                  (2)

液阻柜                                (3)

     液阻柜                             (4)

将(1)和(3)分别代入(4)有

液阻柜                             (5)

当考虑倍增效应情况下,各电流分量经过液阻柜结空间电荷区后都要增大M倍,因此

液阻柜                  (8)

液阻柜                         (9)

液阻柜     (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,阳极电流与液阻柜液阻柜以及液阻柜液阻柜的关系。

液阻柜

特性曲线就变成PNPN两端器件的特性方程

液阻柜

在没有结作用(液阻柜)情况下

     液阻柜

液阻柜液阻柜液阻柜,而液阻柜情况下,液阻柜条件下,电流液阻柜只比液阻柜稍微大一些,因此同样说明阻断特性。故将液阻柜称为阻断条件。

(二)当液阻柜

     当液阻柜时,液阻柜必须为零,它是电流连续性的必要条件,意味着液阻柜结电压液阻柜,因为只有此时液阻柜结本身对电流没有作用,电流特性曲线发生转折。

(三)当液阻柜

液阻柜液阻柜的函数,液阻柜液阻柜的函数。对于同样的外加电压(即M)相同,液阻柜时的漏电流比液阻柜时的漏电流大。表现在阻断特性上就是液阻柜越大,曲线越向大电流方向移动。

另一方面,当液阻柜时,液阻柜,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液阻柜使得液阻柜变大,直到液阻柜发生转折。只要所加的液阻柜足够大,在电压液阻柜很低的情况下,同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中的液阻柜那条曲线)。

液阻柜液阻柜,这点标志正向阻断状态的结束,同时又是导通的开始。所以液阻柜处为转折点。

(四)当液阻柜时,根据(19),液阻柜结提供了一个通态电流(液阻柜)此时,由于液阻柜,器件的正向压降小于液阻柜液阻柜结的压降之和。


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液阻柜时(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,撤去门极电流液阻柜,器件仍能维持导通状态,直到阳极电流液阻柜下降到低于液阻柜,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。


点击次数:  更新时间:2016-06-27 09:00:40  【打印此页】  【关闭

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