晶闸管的结构以及工作原理.docx

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1、一、晶闸管的基本结构晶闸管(SemiconductorcontrolledRect简称iSCR)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者可控硅元件。它有三个引出电极，即阳极（八）、阴极(K)和门极(G)o其符号表示法和器件剖面图如图1所示。.P阳攥b)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(铝或者硼)，形成PNP结构，然后在P的大部份区域扩散N型杂质(磷或者锦)形成阴极，同时在P上引出门极，在P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

2、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V加正向电压时，J和J正偏,J反偏，外加电压几乎全部降落AKI32在J结上，J结起到阻断电流的作用。随着V的增大，只要VV,通过22AKAKBO阳极电流I都很小，于是称此区域为正向阻断状态。当V增大超过V以后，AAKBO阳极电流蓦地增大，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I,器件压降为IV摆布，特性曲线CD段对应的状态T称为导通状态。通常将V及其所对应的I称之为正向转折电压和转折电流。BOBO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

3、，即惟独当电流小到称为维持电流I的某一临界值以下，器件才干H被关断.当晶闸管处于断态（VV）时，如果使得门极相对于阴极其正，给门AKBO极通以电流L那末晶闸管将在较低的电压下转折导通.转折电压V以及转折GBO电流I都是I的函数，I越大,V越小.如图3所示，晶闸管一旦导通后，即BOGGBO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其负只要VVP厂很小，且与I季本无关。AKA但反向电压很大时（VV）,通过晶闸管的反向漏电流急剧增大，表现出晶AKRO闸管击穿，因此称V为反向转折电压和转折电流。RO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（Ol）阻断区、（2）转折区、

4、（2-3）负阻区及（34）导通区.如图5所示。（一）正向工作区1、正向阻断区（01）区域当AK之间加正向电压时,J和J结承受正向电压，而J结承受反向电压，夕卜I32加电压几乎全部落在J结身上。反偏J结起到阻断电流的作用，这时晶闸管是22不导通。2、雪崩区（12也称转折区）当外加电压上升接近J结的雪崩击穿电压V时，反偏J结空间电荷区宽2BJ22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J结的2电流蓦地增大，并使得流过器件的电流也增大。此时，通过J结的电流，由原来2的反向电流转变为主要由J和J结注入的载流子经过基区衰减而在J结空间电I32荷区倍增了的电流，这就是电压增加，电流

5、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,J结空间电荷区雪崩倍增所产生大量的电子2-空穴对，受到反向电场的抽取作用，电子进入N区，空穴进入P区，由于不能I2很快的复合，所以造成J结两侧附近发生载流子积累：空穴在P区、电子在N区，221补偿离化杂质电荷，使得空间电荷区变窄。由此使得P区电位升高、N区电位21下降，起了抵消外电场作用。随着J结上外加电压下降，雪崩倍增效效应也随之2减弱。另一方面J和J结的正向电压却有所增强，注入增加，造成通过J结的I32电流增大，于是浮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

6、效应使得J结两侧形成电子和空穴的积累，造成J结反偏22电压减小；同时又使得J和J结注入增强，电路增大，于是J结两侧继续有电荷132积累，结电压不断下降。当电压下降到雪崩倍增住手以后，结电压全部被抵销后，J结两侧仍有空穴和电子积累，J结变为正偏.此时J、J和J结全部正偏，22I23器件可以通过大电流，因为处于低阻通态区。彻底导通时，其伏安特性曲线与整流元件相似。(二)反向工作区(05)器件工作在反向时候,J和J结反偏，由于重掺杂的J结击穿电压很低，JI331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J结击穿电压以上，由于

7、I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一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1PNP和NPN晶体管，其中J结为共用集电结，如图6所示。当器件加正向I121222电压时.正偏J结注入空穴经过N区的输运,到达集电极结(J)空穴电流为I-72I;而正偏的J结注入电子，经过P区的输运到达J结的电流为I。由于3222KJ结处于反向，通过J结的电流还包括自身的反向饱和电流I.由图6可知，通过J结的电流为上述三者之和，即2IIIIJ21A2KCO假定发射效率1,根据电留连续性原理IL所以公式(1)12ioV变

8、成：(2)公式说明，当正向电压小于J结的雪崩击穿电压V,倍增效应很小，注入电流也2很小，所以和也很小，故有12(3)此时的I也很小.所以J和J结正偏，所以增加V只能使J结反偏压增大，并CO13AK2co不能使I及I增加不少，于是器件始终处于阻断状态，流过器件的电一数量流与I同级。ACOM,则I、和都将增大M倍，故(2)变成mI2因此将公式(3)称为阻断条件.增加使得J结反偏压增大而发生雪崩倍增时候，假定倍增因子2TMl(4)此时分母变小，I产随VAK的增长而迅速增加，所以当coa1M(便达到雪崩稳定状态极限（VV）,电流将趋于无穷大，因此（5）式称为正AKBO向转折条件.准确的转折点条件，是根

9、据特性曲线下降段的起点来标志转折点。在这点dV0d2V0-0,0dl-dl2AA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12电流的函数，M是V的函数，可近似用MV）19V),I为常数，对（4） rn求导禀计算结果是dVHT1dT1 M ( I IAdI A(6)dV由于转折电压低于击穿电压,汽0,份子也必须为零，可得到(I I2dl故顼二dVAKdi为一恒定值。分母也为恒定值，由于(8)(9)(10)M（I）IJLIadiadlA根据晶体管直流电压放大系数的定CBO即口J得到小1吕亏电设取大羲，IEEdi利用公式（9）可把公式（7）变为2）即在转折点，倍增因子与小信号之

10、和的乘积刚好为LPNPN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I变化的，当I增大，和都随之增大。由此可知，在EAI2电流较大时，满足(6)的M值反而可以减小.这说明I增大，V相应减小，这AAK正是图5中曲线(23)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,会浮现1(6)1 2根据方程(2),J结提供一个通态电流(I0)。因此J结必须正偏，于是2 CO2J、J和J结全部正偏，器件处于导通。这便是图5中的低压大电流段。I23器件有断态变为通态，关键在于J结必须由反偏转为正偏J结反向专为正22向的条

11、件是P区、N区分别应有空穴和电子积累。从图(6)可以看出,P区有2J2空穴积累的条件是，J结注入并且被J采集到P区的空穴量I要大于同121)1通过复合而消失的空穴量，即2KI1)1IA2K因为II,所以得到Io只要条件成立，P区的空穴积累同样，N区AK21电子积累条件为I)1(8)2AIK(9)可见当1条件满足时候，P区电位为正，N区电位为负。J结变为正12212偏，器件处于导通状态，所以1称为导通条件。I2五、门极触发原理如图5-7所示，断态时，晶闸管的J和J结处于轻微的正偏，J结处于反I32偏，承受几乎全部断态电压.由于受反向J结所限，器件只能流过很小的漏电流。2若在门极相对于阴极加正向电

12、压V,便会有一股与阳极电流同方向的门极电流GI通过J结，于是通过J结的电流便再也不受反偏J结限制。只要改变加在J结G3323上的电压，便可以控制J结的电流大小。I增大时，通过J结的电流的电流也3G3随着增大，由此引起N区向P区注入大量的电子。注入P区的电子，一部份与222空穴复合，形成门极电流的一部份，另一部份电子在P区通过扩散到达J结被收22集到N区，由此引起通过J结电子电流增加，随之增大。电子被采集到N区I22I使得该地区电位下降，从而使得J结更加正偏，注入空穴电流增大，于是通过IPNPN结构的电流I也增大。而和都是电流的函数，它将随着电流I增1122A12A大而变大.这样，当门极电流I足

13、够大时候，就会使得通过器件的电流增大，使G得1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12导通。I越大，导通时候的转折电压就越低，如图4所示。G对于三端晶闸管，如图所示7,通过J结的各电流分量之和仍然等于总电流2I,即A1Cll1A1C22AI(3)KGAIIII(4)Aclc2CO将(1)和分别代入(4)有co(5)当考虑倍增效应情况下，各电流分量经过J结空间电荷区后都要增大M倍,2因此IMIMIMI(8)1A2KCOM(II)ICO-3-Ga1M()I(当M=D(10)1-co2-C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I和I的关系.（一）当

14、IO时G特性曲线就变成PNPN两端器件的特性方程IcoAl（）在没有结作用（0）情况下1IIACO当、0,而1情况下，IO条件下，电流I只比I稍微大12m一些，因此同样说明阻断特性。故将1称为阻断条（二）当1时I2当1时，I必须为零，它是电留连续性的必要条件，意味着J结Irn2电压V0,因为惟独此时J结本身对电流没有作用，电流特性曲线发生转折。22三）当IO时是（II）的函数，是I的函数。对于同样的外加电压（即M）相同,IO时的漏电流比I0时的漏电流大。表现在阻断特性上就是I越大，曲线GG越向大电流方向挪移。）1 时，I呈,土而 * N2A,器件发生转折。如果电压保持不变（即M相同），那末可以

15、通过加大门极电流I使得（II）变大，直到M（）1发生转折。只要所加的I足够大，在电压V很低的情况下，同样12GA可以达到转折条件，甚至可以使得阻断曲线彻底消失（见图4中的I那条曲线）。2）,1A，这点标志正向阻断状态的结束，同时又是导通的开始.所以M言O处为转折点。A（四）当（1时，根据（19）,J结提供了一个通态电流（IO）此时，2CO由于、AKOTYVV,器件的正向压降小于J和J结的压降之和.J31313五、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。

16、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，当加之足够大的触发电流时（几号安一几百毫安），器件便会提前转折而导通。器件可以通过（IlOOOA）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L下降到低于,器件才会重新回到阻断状态。所以晶闸管和普通的整流管不同，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于是可利用不同的触发方式创造出使用各种用途的派生器件。在反向工作区（第三象限），除

17、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者反向导通，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、小电流的正向或者反向阻断状态。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。六、晶闸管的主要参数及意义1、门极触发电流（Lt）-17-使晶闸管从阻断到彻底导通所必须的最小门极电流。2、极触发电压（V

18、u）对应于门极触发电流的门极电压.3、维持电流（IH）门极断路，在室温条件下，晶闸管被触发导通后，为维持导通所必需的最小电流.4、断态重复峰值电压（VDRM）门极断路、并在一定结温下，允许重复加在器件上的正向峰值电压（重复频率为每秒50次，每次持续时间小于10ms）5、反向重复峰值电压门极断路、并在一定结温下，允许重复加在器件上的反向峰值电压。（重复频率为每秒50次，每次持续时间小于10ms）6、断态电压临界上升率在额定结温下，实验题目：晶闸管综合参数测试实验目的：理解晶闸管的基本理论，了解晶闸管参数的物理意义（晶闸管触发电压V、触发电流I和维持电流I三项参数GTOTH1概述本仪器是晶闸管触发

19、电压V、触发电流1和维持电流I三项参数的专用测试设备.合用于各种反向阻断晶闸管，逆导晶闸管及双向晶闸管的参数测试。本测试仪设计先进，结构合理，操作简便。并具有数字显示，自动测试等功能.其技术指标符合GB4024-83标准的规定，是电力半导体器件生产厂和使用单位最为理想的检测设备。2技术参数2.1A（T）、K（T）间的断态电压：DC12V（内部限流电阻6。8Q）。202触娶电流、维持电流测量范围：1450mA203触发电压测量范围：07V2.4测量时间:小于2S2.5工作条件电源：AC220V10%50HZ温度：04OC206整机功耗：小于75VA2o7整机分量：约IOKg208整机尺寸：440

20、X440X150mm3结构特征本仪器为箱式结构，数字显示，读数直观方便。前部是面板，装有控制键、数字显示表和接线端子等。后盖板上装有三芯电源插座和保险丝盒（保险丝为Oo5A/250V）三线电源插头的地端要可靠接地，以确保测试人员的安全和测试精度.4使用方法4。1面板说明（参见面板图）4.I01电源开关此开关掷向开时，内藏指示灯亮，电源接通。电流(mA)电压(V)HHOSSBBB复位测试沈阳信这电力电子有限公司DBC-031编W测试仪U-lain-L电源关QQ开目目AKG图4。1面板图4o1.2A(T,)、K(T);接线端子被测器件基线端f401.3“mA”电流显示表显示被测器件的触发(维持)电

21、流，单位毫安。401.4V”电压显示表显示被测器件的触发电压，单位伏特.4.I05“II+”触发象限选择键按动此键，内藏指示灯亮，主回路Aq)接正、Kq)接负、G接正，仪器处于触发电流待测状态。4.1.6触发象限选择键按动人键，内藏指示灯亮，主回路A(T)接正、K(T)接负、G接负，仪器处于触发电流待测状态.4oIo7IIII一”触发象限选择键按动此键，内藏指示灯亮，主回路Aq)接负、Kq)接正、G接负，仪器处于触发电流待测状态.4.Io8I”功能选择键按动此键，内藏指示灯亮，“电流显示表显示大于的某一数值，仪器处于维持电流待测状态.4o1.9“复位”键按动此键，在触发参数待测状态下，“mA”

22、电流和“V”电压显示表显示零。在维持电流待测状态下，“电流表显示大于“450”的某一数值，“V”电压表显示的数值无意义.41.10“测试”键按动此键，仪器开始根据功能选择键所处的状态，自动进行相应的测试。测试过程中，测试键内藏指示灯亮,测完后，指示灯自动熄灭.4.2电源线连接三线电源插头的地端要可靠接地，以确保测试人员的安全和测试精度。43测试步骤4o3.1打开“电源”开关。将被测器件接在“A、K、选择“II+”、人3.2II-GG”接线端子上。4.3。3(，“伊口触发象限功能键或者“I维持电流功能,CU键。测试普通、快速晶闸管选择“II+”，测试KS双向晶闸管分别选择“I1+”、Ioi11-

23、,测试维持电流选择Ioj4oL4按动：复位”键如仪器处于触发参数待测状态，电流、电压显示表回零.如仪器处于维持电流待测状态，电流显示表显示“450”mA摆布的某一数值。4o3。5按动“测试键测触发参数时，电流表和电压表显示的数字由小到大变化，测完自动住手变化；测维持电流时，电流表显示数字由大到小变化，测完自动住手.测试过程中“测试”键内藏指示灯亮，测完后指示灯自动熄灭.此时稳定的显示值即为测量读数。（注测维持电流时，电压表显示的数值无意义.整个测试过程在2秒内完成）。4o3.6更换被测器件后，按4。3。34.3o5条操作即可。注：对同一器件进行多次重复测试，测试过程由于被测器件发热，参数会有所变化，测试中应注意。