晶闸管的主要特性
晶闸管介绍
晶闸管介绍：晶闸管是一种大功率开关型半导体器件，具有硅整流器件的特性。
1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化。
晶闸管是PNPN 四层半导体结构，有三个极：阳极、阴极和控制极。
它能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。
晶闸管具有硅整流器件的特性，因此能够在高电压、大电流条件下工作。
在实际应用中，晶闸管的导通和截止状态可以通过控制极触发电流来实现控制。
在正向电压条件下，晶闸管内部两个等效三极管均处于截止状态，此时晶闸管是截止的。
当控制极上施加触发电流时，晶闸管内部等效三极管导通，晶闸管进入导通状态。
在导通状态下，控制极失去作用，即使控制极上施加反向电压，晶闸管仍然保持导通状态。
要使晶闸管截止，需要使其阳压为零或为负，或将阳压减小到一定程度，使流过晶闸管的电流小于维持电流，晶闸管才自行关断。
此外，晶闸管具有正向和反向特性。
在正向特性下，只有很小的正向漏电流；在反向特性下，需要施加反向电压才能使晶闸管导通。
因此，在实际应用中需要根据具体电路要求选择合适的晶闸管类型和规格。
晶闸管的特点
晶闸管的特点
晶闸管的特点：
1、开关特性：晶闸管具有较强的开关特性，即在小输入电流和很小的电压差下，可在微秒级别内容直接承担大于千瓦的负载，承担功率器件特点，性能比开关管表现更好。
2、稳定性：晶闸管具有良好的稳定性，无需外接电容就可以达到高稳定性，并且在保证稳定性情况下，能够承担大于千瓦的电流负载，因此晶闸管在电源调节器技术中得到了广泛的应用。
3、受控特性：极小的控制和驱动电流，可以在测量微小的电压差的条件下控制强大的负载系统，可直接把小功率的输入电流转换成大功率的交流输出，这也是晶闸管作为集中系统控制器的重要原因之一。
4、阻断能力：晶闸管具有很强的阻断能力，即在小电流和很小的电压差下，可以在微秒级别直接承担大于千瓦的负载，可阻断高压和大电流模型，安全可靠。
5、散热特性：晶闸管具有良好的散热性能，在小电流情况下它的尖峰散热强度大于硅发射管；而当它的电流大于一定的阈值的时候，其热损失可大大降低，这有助于提高系统效率并延长其使用寿命。
6、反应速度：晶闸管的反应速度比普通硅发射管要快，可以在微秒级别内，控制一个大于千瓦的负载，这样就可以有效地防止因负载高速切换而带来的损耗和影响，是电源技术的重要元件。
7、安全性：晶闸管由于其结构安全性能稳定，多数电路结构中使用它作为保护元件，以降低系统停电率，改善系统的安全性能，保护系统的安全运行。
晶闸管的基本特性
晶闸管的基本特性
1、晶闸管的静态伏安特性第I 象限的是正向特性有阻断状态和导通状态之分。
在正向阻断状态时，晶闸管的伏安特性是一组随门极电流的增加而不同的曲线簇。
当IG 足够大时，晶闸管的正向转折电压很小，可以看成与一般二
极管一样第III 象限的是反向特性晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。
IG=0 时，器件两端施加正向电压，为正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿晶闸管本身的压降很小，在1V 左右导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH 以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。
IH 称为维持电流。
晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的晶闸管的门极和阴极之间是PN 结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。
为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。
2. 动态特性与二极管类似，开通、关断过程产生动态损耗
晶闸管的开通和关断过程波形
1) 开通过程延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值。
晶闸管的基本特性
1.3.2 晶闸管的根本特性
1) 正向特性(第I象限)
• 正向阻断状态
➢ IG=0时，晶闸管两端受正向电 压→只有很小的正向漏电流流
过.
U RSM U RRM
-UA
➢正向电压超过临界极限━正
向转折电压Ubo →那么漏电流 雪 崩
急剧增大→器件开通。
击穿
IA 正向 导通
IH
IG2 IG1 IG=0
O
雪崩
击 穿 100~1000A- 100、200、300、 400、500、600、800、1000A。
晶闸管受反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。
2 额定电流IT〔AV〕
2 晶闸管的根本特性
+UA
晶闸管的伏安特性
- IA
1.3.2 晶闸管的根本特性
• 反向阻断
➢ 晶闸管处于反向阻断状态时→极
小的反相漏电流流过。
• 反向击穿 ➢ 当反向电压超过一定限度(到达反向击穿电
压), 外电路如无限制措施→那么反向漏电流 急剧增加→导致晶闸管发热损坏。
1.3.2 晶闸管的根本特性
2. 动态特性
iA 100%
90%
10%
0 td tr
t
u AK
IRM
O
t
t rr
U RRM tgr
晶闸管的开通和关断过程波形
3 门极伏安特性〔PN结特性〕
(1).保证可靠触发的门极电流、电压应位于可靠触发区 (2).保证晶闸管可靠关断的门极电流、电压应位于不 触发区或加反偏电压 (3).晶闸管正偏电压一般不大于10 v,反偏电压不大于5v。
1.3.3晶闸管的主要参数
１额定电压UDRM
晶闸管承受此电压时不自动开通也不反向击穿。 晶闸管额定电压的选择应为实际承受电压的2~3倍。 所留裕量用于防止电路中可能出现的操作过电压
晶闸管的工作原理
晶闸管的工作原理
晶闸管又称为双向可控硅，是一种电力电子器件，具有双向触发和单
向导电的特点。
它广泛应用于电力电子控制、调节、转换和变换等领域。
首先是关断状态，当晶闸管两个控制极（即阳极和门极）之间的电压
低于它的阻断电压时，晶闸管将处于关断状态。
此时通过门极的控制电流
较小，晶闸管内部的p-n结处于正向偏置状态。
关断状态下，晶闸管不导电，内部不存在主电流。
当通过门极的电流超过晶闸管的触发电流，电压上升到一定程度时，
晶闸管将进入触发和导通状态。
在这个状态下，晶闸管内部的p-n结开始
在阳极和门极之间形成通道，这个过程称为触发。
一旦触发完成，晶闸管
将开始导电，内部主电流开始流动。
接下来是持续导通状态，晶闸管在触发完成之后将一直导通，直到主
电流降到零或改变触发方式。
在持续导通状态下，晶闸管有较低的电压降，表现出较小的功耗。
最后是关断状态，当主电流降到或小于零时，晶闸管将进入关断状态。
此时，电压在晶闸管的结上再次达到阻断电压，因此电流无法继续流动，
晶闸管停止导电。
需要注意的是，即使通过门极的电流消失，晶闸管仍会
处于导通状态，只有当主电流从阳极流过p-n结到达门极时，晶闸管才能
进入关断状态。
综上所述，晶闸管的工作原理是通过门极的控制电流和电压的变化来
控制晶闸管的导通和关断状态。
通过调节门极电流和触发方式，可以实现
晶闸管的灵活控制和应用于各种电力电子系统。
晶闸管
晶闸管一、可控硅的概念和结构？一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控硅T。
又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。
在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。
它只有导通和关断两种状态。
可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。
可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。
可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。
可控硅从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。
1、可控硅元件的结构：不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。
见图1。
它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极G，所以它是一种四层三端的半导体器件。
2、工作原理可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1所示当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。
此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。
因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。
此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。
这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。
由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。
晶闸管等效电路
晶闸管等效电路
晶闸管是一种高压、高功率电子器件，其特点是具有类似于开关的功能，在电力电子控制领域中应用非常广泛。
晶闸管等效电路包括正向特性、反向特性、静态参数和动态参数等几个方面。
晶闸管的正向电流特性是指晶闸管在正向偏置下的电流特性。
晶闸管的正向特性类似于二极管，具有一个截止电压和一个正向电压。
当正向电压大于等于截止电压时，晶闸管开始导通，电流迅速增加，直至达到正向导通电流。
晶闸管的正向电流特性是晶闸管等效电路中的一个重要参数，对于晶闸管开通和关断过程的控制具有重要的指导意义。
晶闸管的反向特性是指晶闸管在反向偏置下的电流特性。
晶闸管的反向特性类似于开关状态，具有一个反向击穿电压和一个反向漏电流。
当反向电压大于等于反向击穿电压时，晶闸管将发生反向击穿现象，导致漏电流增加。
晶闸管的反向特性参数对于晶闸管在电路中的反向保护具有重要的指导意义。
静态参数是指晶闸管等效电路中的静态电性能参数，主要包括截止电压、正向导通电流、反向漏电流等参数。
静态参数对于晶闸管的开通和关断过程的控制具有重要的指导意义。
动态参数是指晶闸管等效电路中的动态电性能参数，主要包括开通时间、关断时间、迅速电流上升时间、电压下降时间等参数。
动态参数对于晶闸管在电路中的性能表现和应用具有重要的指导意义。
综上所述，晶闸管等效电路是晶闸管电控领域中的重要概念，涵盖了晶闸管的正向特性、反向特性、静态参数和动态参数等方面，为晶闸管的应用和控制提供了重要的理论基础。
晶闸管工作原理
晶闸管工作原理引言概述：晶闸管是一种重要的电子器件，广泛应用于电力控制和电子调节领域。
了解晶闸管的工作原理对于理解其应用和故障排除至关重要。
本文将详细介绍晶闸管的工作原理，包括晶闸管的结构、特性和工作方式。
一、晶闸管的结构1.1 硅基材料：晶闸管的主要材料是硅，因其具有较好的电特性和热特性而被广泛应用。
1.2 PN结：晶闸管由两个PN结组成，其中一个PN结被称为控制结，另一个PN结被称为终端结。
1.3 门极结：晶闸管的控制结上有一个附加的门极结，通过控制门极上的电压来控制晶闸管的导通和截止。
二、晶闸管的特性2.1 可控性：晶闸管的导通和截止状态可以通过控制门极上的电压来实现，具有可控性。
2.2 双向导通性：晶闸管可以在正向和反向电压下导通，具有双向导通性。
2.3 高电压和高电流承受能力：晶闸管能够承受较高的电压和电流，适用于高功率电子设备的控制。
三、晶闸管的工作方式3.1 导通状态：当门极结施加正向电压时，晶闸管处于导通状态，电流可以从终端结流过。
3.2 截止状态：当门极结施加反向电压时，晶闸管处于截止状态，电流无法通过终端结。
3.3 触发方式：晶闸管可以通过正向或负向的脉冲电压来触发，使其从截止状态转变为导通状态。
四、晶闸管的应用4.1 电力控制：晶闸管可以用于电力调节、电压变换和电流控制等领域，实现对电力的精确控制。
4.2 电子调节：晶闸管可以用于调节电子设备的亮度、速度和功率等，提高设备的性能和效率。
4.3 高频电子设备：晶闸管具有快速开关速度和较低的开关损耗，适用于高频电子设备的控制和调节。
五、晶闸管的故障排除5.1 过电流保护：晶闸管在工作过程中可能会受到过电流的影响，需要采取相应的保护措施。
5.2 过电压保护：晶闸管在工作过程中可能会受到过电压的影响，需要采取相应的保护措施。
5.3 温度控制：晶闸管在工作时会产生较高的温度，需要采取散热措施来控制温度，以避免故障发生。
结论：晶闸管作为一种重要的电子器件，具有可控性、双向导通性和高电压、高电流承受能力等特点。
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
当本底浓度很高（重掺杂）如 Nb 1016 cm3 时，其雪 崩电压与电阻率的关系如下图示。
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
(2)晶闸管的阻断电压
晶闸管有两个以上的 pn结，J1、J2 结的耐压与单 个pn结有何不同？
断态电压→ J2结
反向电压→ J1结
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
反向阻断电压：
J2结有电流达到J1结，所以J1结的总电流为
2.3.1晶闸管的断态特性(续）
Wn xm 0.7 当 Lp
时，采用优化设计方法 。
引入优化比值K
K＝(1－α1 )1/n VB ＝VB0 /K ρ＝(VB /100)1/0.75 Xm ＝A(ρVB0 )1/2 Wne ＝LP cosh-1 (1/α1 )
V BO K VB
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VBR＜ VB 同样电阻率的材料作整流二极管，其 雪崩电压为VB，而制成晶闸管，其反向阻断电压只 有VBR。
2.3.1晶闸管的断态特性(续）
晶闸管的反向 电压与二极管 反向电压的比 较。
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
又偏压VA 下的空间电荷层宽度为:
xm 2 0V A qNb
2 n 1 n 1 n 1
将Em、Xm的表达式代入x=0的E(x)表达式得:
1 n 1 VB C 2 i
0 q
Nb
n 1 n 1
2.3.2晶闸管的通态特性
(1)晶闸管的通态电压 (2)功耗
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
2.3.1.1晶闸管阻断模式
（1） p+n结的击穿电压
雪崩击穿电压：
碰撞电离的强弱程度通常用电离率来表示，有如下经验 公式：
0
qN b
将电离率代入雪崩击穿条件并作变量代换得 ：
积分得到：
0 Em
Ci E ( x )
d (E x ) 1
1 n 1
Em
(n 1)qNb Ci 0
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
思路：
由Wne和xm可得到晶闸管长基区宽度Wn的表达式； 对Wn(K)求极值 ；且有 Wn( K ) 0，有 极小值存在 ； 令 Wn( K ) 0 并代入各常数得到下式：
(2 K ) (1 K )
n 1/ 2 n
6L p Q
K 8/3
由： 两边同乘
M
1 V 1 V B
n
1
VBR VB (1 1 )
n为密勒指数。可以看到：
1/ n
1 为pnp管的电流放大系数，它直接影响到VBR 。
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面积由高浓度侧向低浓度侧方向减小的磨角称正斜角 表面空间电荷区上向弯曲，低掺杂区的弯曲程度大于高掺杂区， 表面空间电荷区变宽，表面电场强度下降； 面积由低浓度侧向高浓度侧方向减小的磨角称负斜角 最大电场强度随负角的增大而直线上升，并可以超过体内电场， 最大电场强度的位置在高浓度侧，并逐步移向pn结。
( E ) ae
式中a、b、n 均为常数。
b n ( ) E
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2.3.1晶闸管的断态特性
对于硅的平均电离率可简化表示为：
( E) Ci E
雪崩击穿条件：
n ( x)
I j1 I1 I C0
计及雪崩倍增M，由电流连续性原理有， MI C0 I 1 M 1 显然当 M1 1 时，J1结失去阻断能力 。
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
2.3.1晶闸管的断态特性(续）
穿通电压：
当有效基区宽度随反向电压增加而趋近于零时，定义 此时p+n结两端所承受的耐压为穿通电压，记为VPT。
VPT
2 0 n
Wn2
当Wn ≤Xm 时得到 的是穿通电压
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解上述超越方程可得到α1 ，依次可求出K、VB、 ρ、 xm
及Wen
。
Wn ＝
所以长基区宽度为：
xm ＋Wen
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假定一次扩散结深为xjp ，则硅片厚为:
δ＝Wn ＋2xjp
2.3.1晶闸管的断态特性(续）
2.3.1晶闸管的断态特性(续）
表面电荷对电场的影响:
当pn结的低掺杂n区表面有外来正电荷时，表面空间电 荷区减小；有负电荷存在时，则结表面空间电荷区 增宽 。 E=V/WS
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2.3.1晶闸管的断态特性(续） 正斜角、负斜角及电场分布
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
（1）最大电场强度值随倾斜角减 小而单调下降。 （2）既使是90度的斜角（不磨 角），表面最大电场强度始 终低于体内最大电场强度。 （3）最大电场强度的位置随斜角 减小而远离pn结 。
2.3.1晶闸管的断态特性(续）
(3)晶闸管的最小长基区宽度Wn(min)
传统的设计方法：
设计电
压指标
→
确定电
阻率
→
Xm
→
确定 片厚
∣ ∣ 投片后 ←————————
修改
↑
未计及a1 、a2 、扩散长度LP 、 短基区宽度等的影响！！！
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2.3 晶闸管的主要特性
2.3.1晶闸管的断态特性 2.3.2晶闸管的通态特性 2.3.3晶闸管的动态特性
(第四讲)
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本节主要内容
2.3.1晶闸管的断态特性
晶闸管阻断模式 (1)PN结的雪崩击穿、穿通效应 (2)晶闸管的阻断电压 (3)晶闸管的最小长基区宽度Wn(min) 器件的结终端技术 (1)表面态与表面电场 (2)结终端技术
(1 a1 )
2/3
Q 1/ 2 a1 (1 a1 ) 6L p
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
代入各常数得到： (1－α1 )2/3 ＝4.1×103 (1/LP )VB0 7/6 α1 (1＋α1 )1/2
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2.3.2晶闸管的通态特性
(1)晶闸管的通态电压
1．体压降: Vm是Wn /LP的函数，当Wn /LP≤1时，Vm在pin二极管 的总压降中可以忽略不计。当Wn /LP≥3时，Vm呈指数 增加，远大于“短”结构时的压降。通常取Wn≤3LP。
p+nn+结的 “双角造型”
降低了表面电场强度， 减小了nn+区的电场集 中。
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
（2） 结终端技术
双正角和组合斜角造型
双正角造型
（a）“M 槽”结构 （b）“V 型槽”结构
2.3.1晶闸管的断态特性(续）
断态电压：
由J2 结承担，同理有：
VBF VB (1 a1 a2 )
同样可以看到： VBF＜ VBR＜ VB
1/ n
为使正、反向电压对称，需要a2≒0
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13
3 4
Nb 为硅的掺杂浓度
VB C
a
当 Nb 1016 cm3 时，通常可取常数C≈100，常数 a 0.75
与沿用传统的经验公式——“GE公式”完全相同。
当 ≥Xm 时得到的是雪崩电压
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（c）正负斜角造型 （d）“台型”边缘造型
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
场环结构
当主结的电场达到临界 击穿值以前，让主结的耗 尽层“穿通”到浮动电场 环上。穿通之后的电压将 主要由该浮动电场环分担
2.3.1.2 器件的结终端技术
(1)表面态与表面电场 局部缺陷与“快表面态” 带电杂质、感生电荷与 场强 物理吸附和化学吸附
表面最大电场强度随正表面态电荷的增加而 增加，随负表面态密度的增加而减小
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
结的终端延伸技术
控制表面的电荷来达到改善 pn结击穿特性——局部注入p 型杂质使在N 区表面形成一 个轻掺杂的p区延伸带
——用离子注入的方式在表 面添加电荷，通过适当控制 注入电荷的数量使击穿电压 达到理想值
Ci 为常数。
0
xm
a( E ) dx 1
xm 为p+n单边突变结的空间电荷区宽度。
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2.3.1晶闸管的断态特性(续）
p+n结的电场分布：
E( x )
qNb
0
n
( x m x)
简化表达：
2kT Wn Vm q Lp
2
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2.3.2晶闸管的通态特性(续）
Wn /LP是体压降大小的主要标志。要减小体压降， 唯一的方法提高少子寿命或缩短基区宽度。 Vm与J无关。 扩散长度随注入载流子浓度的增加而减小。在注 入电平大于1017cm-3，载流子-载流子散射和俄歇 复合起着减小La的作用。因而在低电流密度下的 “短”结构，在高电流密度下要变为“长”结构 。
当击穿发生时，VA=VB，VB为雪崩电压，式中n为常数。 这里取n=7，取