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  • 晶閘管在阻斷狀態(tài)與導(dǎo)通狀態(tài)的工作原理詳解
    • 發(fā)布時(shí)間:2021-08-17 19:45:37
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    晶閘管在阻斷狀態(tài)與導(dǎo)通狀態(tài)的工作原理詳解
    晶閘管的基本工作原理體現(xiàn)在阻態(tài)、通態(tài)以及阻態(tài)和通態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。
    首先看晶閘管的反向阻斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管門極開路,陽極和陰極處于反向偏置,即陽極電位低、陰極電位高時(shí),晶閘管中的空間電荷區(qū)分布和電子、空穴流如圖1所示。此時(shí)J2結(jié)為正偏置,J1和J3結(jié)反偏置,圖中假設(shè)J2結(jié)的注入效率為1。由于J3結(jié)兩側(cè)雜質(zhì)濃度高(重?fù)诫s區(qū)),在低壓下即發(fā)生齊納擊穿,無承受電壓的能力,電壓幾乎都加在J1結(jié)上。因此,器件的反向特性與單PN結(jié)器件的反向特性相似。當(dāng)外加電壓增加至J1結(jié)雪崩擊穿電壓時(shí),發(fā)生反向擊穿現(xiàn)象。
    晶閘管 阻斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)
    圖1 晶閘管反偏阻斷時(shí)的載流子流示意圖
    然后看晶閘管的正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管門極開路,陽極和陰極處于正向偏置,即陽極電位高、陰極電位低時(shí),晶閘管中的空間電荷區(qū)分布和電子、空穴流如圖2所示。
    晶閘管 阻斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)
    圖2 晶閘管正偏阻斷時(shí)的載流子流示意圖
    此時(shí)J2結(jié)為反偏置,J1和J3結(jié)為正偏置,外加電壓幾乎全部降落在J2結(jié)上。通過器件的電流近似為J2結(jié)的反向飽和電流,器件處于正向阻斷狀態(tài)。而通過J1和J3結(jié)正偏置少子注入效應(yīng)注入的空穴、電子分別在N1和P2區(qū)進(jìn)行了部分內(nèi)復(fù)合,然后通過J2結(jié)的反偏置少子抽出效應(yīng),分別被抽出到P2和N1區(qū)。當(dāng)外加電壓增加至J2結(jié)雪崩擊穿電壓時(shí),J2結(jié)空間電荷區(qū)寬度增加,電場增強(qiáng),并發(fā)生顯著的雪崩倍增效應(yīng)。于是,通過J2結(jié)的電流增加,也就是通過器件的電流增大,由原來的J2結(jié)反向漏電流轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^J2結(jié)雪崩倍增的電流,器件處于轉(zhuǎn)折狀態(tài)。J2結(jié)兩側(cè)的N1和P2區(qū)內(nèi)開始有電子、空穴來不及復(fù)合而不斷積累。這些積累的載流子一方面補(bǔ)償了J2結(jié)空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子,使空間電荷區(qū)寬度變窄,電場削弱,雪崩倍增效應(yīng)減弱,起著抵消外加電壓的作用,引起耐壓降低;另一方面,P2區(qū)積累的空穴,N1區(qū)積累的電子使P2區(qū)電位升高,N1區(qū)電位降低,致使J3和J1結(jié)正偏壓升高,正向注入效應(yīng)增強(qiáng),通過J2結(jié)的電流進(jìn)一步增大。隨著J2結(jié)兩側(cè)載流子的不斷積累,其空間電荷區(qū)電場、雪崩倍增效應(yīng)亦不斷削弱,當(dāng)雪崩倍增效應(yīng)完全消失時(shí),J2結(jié)兩側(cè)仍能維持電荷的積累,這樣,J1、J3結(jié)正向注入而到達(dá)J2結(jié)兩側(cè)積累起來的載流子,最終使J2由負(fù)偏壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎蚱谩?個(gè)結(jié)都處于正向偏置下,允許通過很大的電流,器件處于正向?qū)顟B(tài)。總的看上去的效果是,即使在門極開路的情況,晶閘管的正向電壓逐漸增加到一個(gè)轉(zhuǎn)折電壓后開始進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài),當(dāng)門極有電流輸入時(shí),此轉(zhuǎn)折電壓會降低。
    而對于反向阻斷狀態(tài)來說,在承壓的兩側(cè)不會發(fā)生載流子的積累,因此不存在轉(zhuǎn)折電壓進(jìn)人導(dǎo)通狀態(tài)。
    最后來看晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),在J2結(jié)兩側(cè)累積大量的不平衡載流子。當(dāng)流經(jīng)晶閘管中的電流較大時(shí),注人到N1和P2區(qū)來不及復(fù)合而積累下來的過剩載流子的濃度遠(yuǎn)大于這兩區(qū)內(nèi)雜質(zhì)原子的濃度,使這兩個(gè)區(qū)都表現(xiàn)得像本征區(qū)一樣,此時(shí)整個(gè)晶閘管看上去就像一個(gè)PIN二極管一樣工作(此時(shí)晶閘管處于擎住,不需要門極電流流入),其通態(tài)特性也和PIN二極管表現(xiàn)一樣。但是當(dāng)流經(jīng)晶閘管中的電流較小時(shí),其通態(tài)的工作原理就比較復(fù)雜。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)流經(jīng)晶閘管中的電流小到一定程度時(shí),大面積晶閘管中只有部分器件面積是開通的。在開通部分和不導(dǎo)電部分之間存在一個(gè)過渡區(qū),如圖3所示。
    晶閘管 阻斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)
    圖3 流經(jīng)小電流時(shí)晶閘管的導(dǎo)通情況
    其中,Ⅰ區(qū)是導(dǎo)通區(qū),Ⅱ區(qū)是過渡區(qū),Ⅲ區(qū)是未導(dǎo)通區(qū)。如果流經(jīng)電流慢慢增大,開通的區(qū)域會逐漸擴(kuò)展。
    為了能定量地分析晶閘管開通和通態(tài)情況,可以使用雙晶體管等效電路。將PNPN結(jié)構(gòu)的晶閘管拆成兩個(gè)相互連接的PNP和NPN型晶體管的過程如圖4所示,其中一個(gè)晶體管的集電極同時(shí)又是另一管的基板,這種結(jié)構(gòu)形成了內(nèi)部的正反饋聯(lián)系。每個(gè)晶體管中的兩個(gè)PN結(jié)相互作用,體現(xiàn)為晶體管的電流放大系數(shù)。兩個(gè)晶體管的電流放大系數(shù)分別為α1和α2,此時(shí)不用再考慮晶體管內(nèi)部的電子、空穴流分布,直接使用電流放大系數(shù)來聯(lián)系晶體管的集電極和發(fā)射極電流,就可以對晶閘管的工作原理進(jìn)行討論。
    晶閘管 阻斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)
    圖4 晶閘管的雙晶體管模型
    在晶閘管加上正向電壓時(shí),如果門極也加上正向電壓,則有電流IG從門極流入 NPN管的基極。NPN管導(dǎo)通后,其集電極電流IC2流入PNP管的基極,并使其導(dǎo)通,于是該管的集電極電流IC1又流入NPN管的基極。如此往復(fù)循環(huán),形成強(qiáng)烈的正反饋過程,導(dǎo)致兩個(gè)晶體管均飽和導(dǎo)通,使晶閘管迅速由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)。
    注意到IA和IK分別為PNP和NPN管的發(fā)射極電流,則有
    晶閘管 阻斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)
    在J2結(jié)的內(nèi)電場作用下,流過該結(jié)的反向漏電流是IC0,則晶閘管的陽極電流為
    晶閘管 阻斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)
    假定晶體管的門極電流為IG,則晶閘管的陰極電流為
    晶閘管 阻斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)
    合并之,得晶閘管的陽極電流為
    晶閘管 阻斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)
    由此可見,處于正向偏置下的晶閘管,當(dāng)兩個(gè)晶體管的電流放大系數(shù)之和趨于1時(shí),陽極電流就趨于無窮大(或者說由外電路來決定),晶閘管被門極信號觸發(fā)導(dǎo)通。所以說,晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的必要條件是:
    晶閘管 阻斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)
    而當(dāng)正向偏置電壓極高,使J2結(jié)發(fā)生載流子倍增,存在倍增系數(shù)M則上述關(guān)系變?yōu)?br /> 晶閘管 阻斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)
    這就是前面分析的有門極電流時(shí),此正向阻態(tài)的轉(zhuǎn)折電壓會降低。
    在晶體管的分析中知道,晶體管的電流放大系數(shù)并不是一個(gè)常數(shù),而是隨流經(jīng)電流變化而變化,晶閘管中的兩個(gè)等效晶體管電流放大系數(shù)也是如此。某個(gè)晶閘管的兩個(gè)電流放大系數(shù)如圖5所示。當(dāng)晶閘管已經(jīng)能夠?qū)ǎ伊鹘?jīng)電流達(dá)到一定程度時(shí),即使不需要門極電流,陽極電流仍能維持,這種現(xiàn)象叫做擎住效應(yīng)。這是晶閘管與晶體管的一個(gè)非常重要的區(qū)別,晶體管在無基極電流時(shí)會關(guān)斷。當(dāng)然,每個(gè)等效晶體管電流放大系數(shù)的改變會有多種原因,比如溫度、光照或者du/dt引起的位移電流,它們都可以成為晶閘管從阻態(tài)進(jìn)入通態(tài)的觸發(fā)條件。
    晶閘管 阻斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)
    圖5 電流放大系數(shù)隨電流變化的曲線
    綜上所述,晶閘管的伏安特性曲線的表示如圖6所示。在正向偏置下,器件處于正向阻斷狀態(tài),當(dāng)偏置電壓較高時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折了,由阻態(tài)進(jìn)入通態(tài),這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,可以由電壓引起,也可以由門極電流引起(或者其他原因),當(dāng)門極通入適當(dāng)電流時(shí),在一定的偏置電壓下可以觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管,此時(shí)即使去掉門極電流,器件仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)不變。可見,晶閘管一旦導(dǎo)通,門極就失去控制作用。因此,觸發(fā)電流常采用脈沖電流,而無需采用直流。導(dǎo)通之后,只要流過器件的電流逐漸減小到某值,器件又可恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。這種關(guān)斷方式稱為自然關(guān)斷,除此之外,還可在陽陰極之間采用加反偏壓的方法進(jìn)行強(qiáng)迫關(guān)斷。在反向偏置下,其伏安特性和二極管的完全相同。
    晶閘管 阻斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)
    圖6 晶閘管伏安特性示意圖
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