晶闸管在阻断状态及导通状态的工作原理详细概述

晶闸管的基本工作原理体现在阻态、通态以及阻态和通态之间的转换。

首先看晶闸管的反向阻断状态。当晶闸管门极开路，阳极和阴极处于反向偏置，即阳极电位低、阴极电位高时，晶闸管中的空间电荷区分布和电子、空穴流如图1所示。此时J2结为正偏置，J1和J3结反偏置，图中假设J2结的注入效率为1。由于J3结两侧杂质浓度高（重掺杂区），在低压下即发生齐纳击穿，无承受电压的能力，电压几乎都加在J1结上。因此，器件的反向特性与单PN结器件的反向特性相似。当外加电压增加至J1结雪崩击穿电压时，发生反向击穿现象。

图1  晶闸管反偏阻断时的载流子流示意图

然后看晶闸管的正向阻断状态。当晶闸管门极开路，阳极和阴极处于正向偏置，即阳极电位高、阴极电位低时，晶闸管中的空间电荷区分布和电子、空穴流如图2所示。

图2  晶闸管正偏阻断时的载流子流示意图

此时J2结为反偏置，J1和J3结为正偏置，外加电压几乎全部降落在J2结上。通过器件的电流近似为J2结的反向饱和电流，器件处于正向阻断状态。而通过J1和J3结正偏置少子注入效应注入的空穴、电子分别在N1和P2区进行了部分内复合，然后通过J2结的反偏置少子抽出效应，分别被抽出到P2和N1区。当外加电压增加至J2结雪崩击穿电压时，J2结空间电荷区宽度增加，电场增强，并发生显著的雪崩倍增效应。于是，通过J2结的电流增加，也就是通过器件的电流增大，由原来的J2结反向漏电流转变为通过J2结雪崩倍增的电流，器件处于转折状态。J2结两侧的N1和P2区内开始有电子、空穴来不及复合而不断积累。这些积累的载流子一方面补偿了J2结空间电荷区杂质离子，使空间电荷区宽度变窄，电场削弱，雪崩倍增效应减弱，起着抵消外加电压的作用，引起耐压降低；另一方面，P2区积累的空穴，N1区积累的电子使P2区电位升高，N1区电位降低，致使J3和J1结正偏压升高，正向注入效应增强，通过J2结的电流进一步增大。随着J2结两侧载流子的不断积累，其空间电荷区电场、雪崩倍增效应亦不断削弱，当雪崩倍增效应完全消失时，J2结两侧仍能维持电荷的积累，这样，J1、J3结正向注入而到达J2结两侧积累起来的载流子，最终使J2由负偏压转变为正向偏置。3个结都处于正向偏置下，允许通过很大的电流，器件处于正向导通状态。总的看上去的效果是，即使在门极开路的情况，晶闸管的正向电压逐渐增加到一个转折电压后开始进入导通状态，当门极有电流输入时，此转折电压会降低。

而对于反向阻断状态来说，在承压的两侧不会发生载流子的积累，因此不存在转折电压进人导通状态。

最后来看晶闸管的导通状态。当晶闸管处于导通状态时，在J2结两侧累积大量的不平衡载流子。当流经晶闸管中的电流较大时，注人到N1和P2区来不及复合而积累下来的过剩载流子的浓度远大于这两区内杂质原子的浓度，使这两个区都表现得像本征区一样，此时整个晶闸管看上去就像一个PIN二极管一样工作（此时晶闸管处于擎住，不需要门极电流流入），其通态特性也和PIN二极管表现一样。但是当流经晶闸管中的电流较小时，其通态的工作原理就比较复杂。研究发现，当流经晶闸管中的电流小到一定程度时，大面积晶闸管中只有部分器件面积是开通的。在开通部分和不导电部分之间存在一个过渡区，如图3所示。

图3  流经小电流时晶闸管的导通情况

其中，Ⅰ区是导通区，Ⅱ区是过渡区，Ⅲ区是未导通区。如果流经电流慢慢增大，开通的区域会逐渐扩展。

为了能定量地分析晶闸管开通和通态情况，可以使用双晶体管等效电路。将PNPN结构的晶闸管拆成两个相互连接的PNP和NPN型晶体管的过程如图4所示，其中一个晶体管的集电极同时又是另一管的基板，这种结构形成了内部的正反馈联系。每个晶体管中的两个PN结相互作用，体现为晶体管的电流放大系数。两个晶体管的电流放大系数分别为α1和α2，此时不用再考虑晶体管内部的电子、空穴流分布，直接使用电流放大系数来联系晶体管的集电极和发射极电流，就可以对晶闸管的工作原理进行讨论。

图4  晶闸管的双晶体管模型

在晶闸管加上正向电压时，如果门极也加上正向电压，则有电流IG从门极流入 NPN管的基极。NPN管导通后，其集电极电流IC2流入PNP管的基极，并使其导通，于是该管的集电极电流IC1又流入NPN管的基极。如此往复循环，形成强烈的正反馈过程，导致两个晶体管均饱和导通，使晶闸管迅速由阻断状态转为导通状态。

注意到IA和IK分别为PNP和NPN管的发射极电流，则有

在J2结的内电场作用下，流过该结的反向漏电流是IC0，则晶闸管的阳极电流为

假定晶体管的门极电流为IG，则晶闸管的阴极电流为

合并之，得晶闸管的阳极电流为

由此可见，处于正向偏置下的晶闸管，当两个晶体管的电流放大系数之和趋于1时，阳极电流就趋于无穷大（或者说由外电路来决定），晶闸管被门极信号触发导通。所以说，晶闸管触发导通的必要条件是：

而当正向偏置电压极高，使J2结发生载流子倍增，存在倍增系数M则上述关系变为

这就是前面分析的有门极电流时，此正向阻态的转折电压会降低。

在晶体管的分析中知道，晶体管的电流放大系数并不是一个常数，而是随流经电流变化而变化，晶闸管中的两个等效晶体管电流放大系数也是如此。某个晶闸管的两个电流放大系数如图5所示。当晶闸管已经能够导通，且流经电流达到一定程度时，即使不需要门极电流，阳极电流仍能维持，这种现象叫做擎住效应。这是晶闸管与晶体管的一个非常重要的区别，晶体管在无基极电流时会关断。当然，每个等效晶体管电流放大系数的改变会有多种原因，比如温度、光照或者du/dt引起的位移电流，它们都可以成为晶闸管从阻态进入通态的触发条件。

图5  电流放大系数随电流变化的曲线

综上所述，晶闸管的伏安特性曲线的表示如图6所示。在正向偏置下，器件处于正向阻断状态，当偏置电压较高时发生转折了，由阻态进入通态，这种状态的转换，可以由电压引起，也可以由门极电流引起（或者其他原因），当门极通入适当电流时，在一定的偏置电压下可以触发导通晶闸管，此时即使去掉门极电流，器件仍能维持导通状态不变。可见，晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。因此，触发电流常采用脉冲电流，而无需采用直流。导通之后，只要流过器件的电流逐渐减小到某值，器件又可恢复到阻断状态。这种关断方式称为自然关断，除此之外，还可在阳阴极之间采用加反偏压的方法进行强迫关断。在反向偏置下，其伏安特性和二极管的完全相同。

图6  晶闸管伏安特性示意图

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