晶闸管(可控硅)的结构与工作原理

一、晶闸管的基本结构

晶闸管(Semi ｃo ｎdu ｃｔo ｒC ｏnt ｒoll ｅｄ Ｒe ｃｔifier 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211P N P 结构，然后在2P 的大部分区域扩散N 型杂质(磷或锑）形成阴极，同时在2P 上引出门极,在1P 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AK V 加正向电压时，1J 和3J 正偏,2J 反偏,外加电压几乎全部降落在2J 结上,2J 结起到阻断电流的作用。随着AK V 的增大，只要BO AK V V <，通过阳极电流A I 都很小，因而称此区域为正向阻断状态。当AK V 增大超过BO V 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T I ，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BO V 及其所对应的BO I 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H I 的某一临界值以下，器件才能被关断。

当晶闸管处于断态（BO AK V V <）时,如果使得门极相对于阴极为正,给门极通以电流G I ，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压BO V 以及转折电流BO I 都是G I 的函数,G I 越大，BO V 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RO AK V V <，

A I 很小,且与G I 基本无关。但反向电压很大时(RO AK V V ≈），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RO V 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，1J 和3J 结承受正向电压，而2J 结承受反向电压,外加电压几乎全部落在2J 结身上。反偏2J 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2J 结的雪崩击穿电压2BJ V 时,反偏2J 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2J 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2J 结的电流,由原来的反向电流转变为主要由1J 和3J 结注入的载流子经过基区衰减而在2J 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,2J 结空间电荷区雪崩倍增所产生大量的电子—空穴对，受到反向反向电场的抽取作用,电子进入1N 区，空穴进入2P 区,由于不能很快的复合,所以造成2J 结两侧附近发生载流子积累：空穴在2P 区、电子在1

N

区，补偿离化杂质电荷,使得空间电荷区变窄。由此使得2P 区电位升高、1N 区电位下降，起了抵消外电场作用。随着2J 结上外加电压下降，雪崩倍增效效应也随之减弱。另一方面1J 和3J 结的正向电压却有所增强,注入增加,造成通过2J 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2J 结两侧形成电子和空穴的积累，造成2J 结反偏电压减小;同时又使得1J 和3J 结注入增强，电路增大，因而2J 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，2J 结两侧仍有空穴和电子积累,2J 结变为正偏。此时1J 、2J 和3J 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,1J 和3J 结反偏,由于重掺杂的3J 结击穿电压很低，1J 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1J 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1α和2α的211P N P 和221N P N 晶体管,其中2J 结为共用集电结，如图6所示。当器件加正向电

压时。正偏1J 结注入空穴经过1N 区的输运，到达集电极结(2J ）空穴电流为A I 1α;而正偏的3J 结注入电子,经过2P 区的输运到达2J 结的电流为K I 2α。由于2J 结处于反向,通过2J 结的电流还包括自身的反向饱和电流CO I 。

由图6可知,通过2J 结的电流为上述三者之和,即

CO K A J I I I I ++=212αα (1)

假定发射效率121==γγ,根据电流连续性原理K A J I I I ==2，所以公式(1）变成:

)

(121αα+-=CO A I I (2) 公式说明,当正向电压小于2J 结的雪崩击穿电压B V ,倍增效应很小，注入电流也很小，所以1α和2α也很小,故有

121<+αα （3）

此时的CO I 也很小。所以1J 和3J 结正偏，所以增加AK V 只能使2J 结反偏压增大,并不能使CO I 及A 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CO I 同一数量级。因此将公式(3）称为阻断条件。

当AK V 增加使得2J 结反偏压增大而发生雪崩倍增时候,假定倍增因子M M M p n ==,则CO I 、1α和2α都将增大M 倍，故（2）变成

)(121αα+-=

M MI I CO A (4) 此时分母变小，A I 将随AK V 的增长而迅速增加,所以当

1)(21=+ααM (5)

便达到雪崩稳定状态极限(BO AK V V =），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

0=A AK dI dV ,022

AK dI V d 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1α和2α是电流的函数,M 是2J V 的函数,可近似用)()(2AK J V M V M =，CO I 为常数,对（4)求导AK

A dV dI ,计算结果是 AK

CO A A A A A A AK A

A AK dV dM I I I dI d I M dI d I M dV dI dI dV )()()(11212211+++-+-==αααααα (6） 由于转折电压低于击穿电压，故AK

dV dM 为一恒定值。分母也为恒定值，由于0=A

AK dI dV ，分子也必须为零，可得到 1)()(2211=+++A

A A A dI d I M dI d I M αααα (7) 根据晶体管直流电压放大系数的定义，

CBO E C I I I +=α (8）

即可得到小信号电流放大系数

E

E E C dI d I dI dI ααα+==~ (9) 利用公式(9)可把公式(7）变为

1)(2~

~1=+ααM （10） 即在转折点,倍增因子与小信号~

α之和的乘积刚好为1。PN ＰN 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α是随着电流E I 变化的，当A I 增大，1α和2α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A I 增大,AK V 相应减小，这正是图5中曲线(2~3)所示的负阻段。

α既是电流的函数名同时也是集电结电压的函数，当α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 121>+αα （6）

根据方程(2）,2J 结提供一个通态电流（0

器件有断态变为通态，关键在于2J 结必须由反偏转为正偏。2J 结反向专为正向的条件是2P 区、1N 区分别应有空穴和电子积累。从图(6）可以看出，2P 区有空穴积累的条件是,1J 结注入并且被2J 收集到2P 区的空穴量A I 1α要大于同K I )1(2α-通过复合而消失的空穴量，即

K A I I )1(21αα-> （7）

因为K A I I =，所以得到121>+αα。只要条件成立，2P 区的空穴积累同样,1N 区电子积累条件为

K A I I )1(12αα-> (8）

故

121>+αα （9)

可见当121>+αα条件满足时候，2P 区电位为正,1N 区电位为负。2J 结变为正偏，器件处于导通状态,所以121>+αα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1J 和3J 结处于轻微的正偏,2J 结处于反偏，承受几乎全部断态电压。由于受反向2J 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G V ,便会有一股与阳极电流同方向的门极电流G I 通过3J 结,于是通过3J 结的电流便不再受反偏2J 结限制。只要改变加在3J 结上的电压，便可以控制3J 结的电流大小。G I 增大时，通过3J 结的电流的电流也随着增大，由此引起2N 区向2P 区注入大量的电子。注入2P 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2P 区通过扩散到达2J 结被收集到1N 区，由此引起通过2J 结电子电流增加，2α随之增大。电子被收集到1N 区使得该地区电位下降,从而使得1J 结更加正偏,注入空穴电流增大,于是通过2211N P N P 结构的电流A I 也增大。而1α和2α都是电流的函数,它将随着电流A I 增大而变大。这样,当门极电流G I 足够大时候，就会使得通过器件的电流增大,使得121>+αα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。G I 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2J 结的各电流分量之和仍然等于总电流A I ,即

A C I I 11α= (１）

A C I I 22α= (2）

A G K I I I += （3)

CO c c A I I I I ++=21 （4） 将（1)和(3）分别代入（4)有

CO K A A I I I I ++=21αα (5)

当考虑倍增效应情况下,各电流分量经过2J 结空间电荷区后都要增大M 倍,因此

CO K A A MI I M I M I ++=21αα （8）

)

(1)(212ααα+-+=M I I M I G CO A (9) )

(1212ααα+-+=G CO A I I I （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1α和2α以及G I 和CO I 的关系。

（一）当0=G I 时

特性曲线就变成P ＮP Ｎ两端器件的特性方程

)

(121αα+-=CO A I I 在没有结作用（021==αα）情况下

CO A I I =

当1α、2α0≠，而121<+αα情况下，0=G I 条件下，电流A I 只比CO I 稍微大一些，因此同样说明阻断特性。故将121<+αα称为阻断条件。

（二)当121=+αα时

当121=+αα时,CO I 必须为零，它是电流连续性的必要条件，意味着2J 结电压02=V ,因为只有此时2J 结本身对电流没有作用，电流特性曲线发生转折。

(三）当0≠G I 时

2α是)(G A I I +的函数,1α是A I 的函数。对于同样的外加电压（即M)相同，

0≠G I 时的漏电流比0=G I 时的漏电流大。表现在阻断特性上就是G I 越大，曲线越向大电流方向移动。

另一方面,当1)(21→+ααM 时,∞→A I ,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G I 使得)(2G A I I +α变大,直到1)(21→+ααM 发生转折。只要所加的G I 足够大,在电压A V 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3G I 那条曲线)。

1)(21→+ααM ，∞→A I ，这点标志正向阻断状态的结束,同时又是导通的开始。所以0=A

A dI dV 处为转折点。 (四)当1)(21>+αα时,根据(1９)，2J 结提供了一个通态电流（0

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P ＮＰＮ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

G I 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G I ，器件仍能维持导通状态，直到阳极电流A I 下降到低于H I ，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