晶闸管的结构以及工作原理教案资料.docx
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晶闸管的结构以及工作原理教案资料
一、晶闸管的基本结构
晶闸管(SemiconductorControlledRectifier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
结构,然后在
的大部分区域扩散N型杂质(磷或锑)形成阴极,同时在
上引出门极,在
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。
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
加正向电压时,
和
正偏,
反偏,外加电压几乎全部降落在
结上,
结起到阻断电流的作用。
随着
的增大,只要
,通过阳极电流
都很小,因而称此区域为正向阻断状态。
当
增大超过
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
,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
及其所对应的
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
的某一临界值以下,器件才能被关断。
当晶闸管处于断态(
)时,如果使得门极相对于阴极为正,给门极通以电流
,那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。
转折电压
以及转折电流
都是
的函数,
越大,
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
,
很小,且与
基本无关。
但反向电压很大时(
),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
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。
(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,
和
结承受正向电压,而
结承受反向电压,外加电压几乎全部落在
结身上。
反偏
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
结的雪崩击穿电压
时,反偏
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
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
结的电流,由原来的反向电流转变为主要由
和
结注入的载流子经过基区衰减而在
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,
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
区,空穴进入
区,由于不能很快的复合,所以造成
结两侧附近发生载流子积累:
空穴在
区、电子在
区,补偿离化杂质电荷,使得空间电荷区变窄。
由此使得
区电位升高、
区电位下降,起了抵消外电场作用。
随着
结上外加电压下降,雪崩倍增效效应也随之减弱。
另一方面
和
结的正向电压却有所增强,注入增加,造成通过
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
结两侧形成电子和空穴的积累,造成
结反偏电压减小;同时又使得
和
结注入增强,电路增大,因而
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,
结两侧仍有空穴和电子积累,
结变为正偏。
此时
、
和
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,
和
结反偏,由于重掺杂的
结击穿电压很低,
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
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。
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
和
晶体管,其中
结为共用集电结,如图6所示。
当器件加正向电压时。
正偏
结注入空穴经过
区的输运,到达集电极结(
)空穴电流为
;而正偏的
结注入电子,经过
区的输运到达
结的电流为
。
由于
结处于反向,通过
结的电流还包括自身的反向饱和电流
。
由图6可知,通过
结的电流为上述三者之和,即
(1)
假定发射效率
,根据电流连续性原理
,所以公式
(1)变成:
(2)
公式说明,当正向电压小于
结的雪崩击穿电压
,倍增效应很小,注入电流也很小,所以
和
也很小,故有
(3)
此时的
也很小。
所以
和
结正偏,所以增加
只能使
结反偏压增大,并不能使
及
增加很多,因而器件始终处于阻断状态,流过器件的电流与
同一数量级。
因此将公式(3)称为阻断条件。
当
增加使得
结反偏压增大而发生雪崩倍增时候,假定倍增因子
,则
、
和
都将增大M倍,故
(2)变成
(4)
此时分母变小,
将随
的增长而迅速增加,所以当
(5)
便达到雪崩稳定状态极限(
),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
,
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
和
是电流的函数,M是
的函数,可近似用
,
为常数,对(4)求导
,计算结果是
(6)
由于转折电压低于击穿电压,故
为一恒定值。
分母也为恒定值,由于
,分子也必须为零,可得到
(7)
根据晶体管直流电压放大系数的定义,
(8)
即可得到小信号电流放大系数
(9)
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
是随着电流
变化的,当
增大,
和
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
增大,
相应减小,这正是图5中曲线(2~3)所示的负阻段。
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
(6)
根据方程
(2),
结提供一个通态电流(
)。
因此
结必须正偏,于是
、
和
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
结必须由反偏转为正偏。
结反向专为正向的条件是
区、
区分别应有空穴和电子积累。
从图(6)可以看出,
区有空穴积累的条件是,
结注入并且被
收集到
区的空穴量
要大于同
通过复合而消失的空穴量,即
(7)
因为
,所以得到
。
只要条件成立,
区的空穴积累同样,
区电子积累条件为
(8)
故
(9)
可见当
条件满足时候,
区电位为正,
区电位为负。
结变为正偏,器件处于导通状态,所以
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
和
结处于轻微的正偏,
结处于反偏,承受几乎全部断态电压。
由于受反向
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
,便会有一股与阳极电流同方向的门极电流
通过
结,于是通过
结的电流便不再受反偏
结限制。
只要改变加在
结上的电压,便可以控制
结的电流大小。
增大时,通过
结的电流的电流也随着增大,由此引起
区向
区注入大量的电子。
注入
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
区通过扩散到达
结被收集到
区,由此引起通过
结电子电流增加,
随之增大。
电子被收集到
区使得该地区电位下降,从而使得
结更加正偏,注入空穴电流增大,于是通过
结构的电流
也增大。
而
和
都是电流的函数,它将随着电流
增大而变大。
这样,当门极电流
足够大时候,就会使得通过器件的电流增大,使得
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。
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
结的各电流分量之和仍然等于总电流
,即
(1)
(2)
(3)
(4)
将
(1)和(3)分别代入(4)有
(5)
当考虑倍增效应情况下,各电流分量经过
结空间电荷区后都要增大M倍,因此
(8)
(9)
(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
和
以及
和
的关系。
(一)当
时
特性曲线就变成PNPN两端器件的特性方程
在没有结作用(
)情况下
当
、
,而
情况下,
条件下,电流
只比
稍微大一些,因此同样说明阻断特性。
故将
称为阻断条件。
(二)当
时
当
时,
必须为零,它是电流连续性的必要条件,意味着
结电压
,因为只有此时
结本身对电流没有作用,电流特性曲线发生转折。
(三)当
时
是
的函数,
是
的函数。
对于同样的外加电压(即M)相同,
时的漏电流比
时的漏电流大。
表现在阻断特性上就是
越大,曲线越向大电流方向移动。
另一方面,当
时,
,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
使得
变大,直到
发生转折。
只要所加的
足够大,在电压
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
那条曲线)。
,
,这点标志正向阻断状态的结束,同时又是导通的开始。
所以
处为转折点。
(四)当
时,根据(19),
结提供了一个通态电流(
)此时,由于
,器件的正向压降小于
和
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
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
,器件仍能维持导通状态,直到阳极电流
下降到低于
,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。
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