晶闸管的结构以及工作原理

时间：2025-04-20

一、晶闸管的基本结构

晶闸管（SemiconductorControlled Rectifier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P1N1P2结构，然后在P2的大部分区域扩散N型杂质（磷或锑）形成阴极，同时在P2上引出门极，在P1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VAK加正向电压时，J1和J3正偏，J2反偏，外加电压几乎全部降落在J2结上，J2结起到阻断电流的作用。随着VAK的增大，只要VAK VBO，通过阳极电流IA都很小，因而称此区域为正向阻断状态。当VAK增大超过VBO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IT，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VBO及其所对应的IBO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IH的某一临界值以下，器件才能被关断。

当晶闸管处于断态（VAK VBO）时，如果使得门极相对于阴极为正，给门极通以电流IG，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压VBO以及转折电流IBO都是IG的函数，IG越大，VBO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VAK VRO，IA很小，且与IG基本无关。但反向电压很大时（VAK VRO），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VRO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，J1和J3结承受正向电压，而J2结承受反向电压，外加电压几乎全部落在J2结身上。反偏J2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J2结的雪崩击穿电压VBJ2时，反偏J2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J2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J2结的电流，由原来的反向电流转变为主要由J1和J3结注入的载流子经过基区衰减而在J2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，J2结空间电荷区雪崩倍增所产生大量的电子—空穴对，受到反向电场的抽取作用，电子进入N1区，空穴进入P2区，由于不能很快的复合，所以造成J2结两侧附近发生载流子积累：空穴在P2区、电子在N1区，补偿离化杂质电荷，使得空间电荷区变窄。由此使得P2区电位升高、N1区电位下降，起了抵消外电场作用。随着J2结上外加电压下降，雪崩倍增效效

应也随之减弱。另一方面J1和J3结的正向电压却有所增强，注入增加，造成通过J2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J2结两侧形成电子和空穴的积累，造成J2结反偏电压减小；同时又使得J1和J3结注入增强，电路增大，因而J2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，J2结两侧仍有空穴和电子积累，J2结变为正偏。此时J1、J2和J3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，J1和J3结反偏，由于重掺杂的J3结击穿电压很低，J1

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J1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 1和 2的

P1N1P2和N1P2N2晶体管，其中J2结为共用集电结，如图6所示。当器件加正向

电压时。正偏J1结注入空穴经过N1区的输运，到达集电极结（J2）空穴电流为

1IA；而正偏的J3结注入电子，经过P2区的输运到达J2结的电流为 2IK。由于

J2结处于反向，通过J2结的电流还包括自身的反向饱和电流ICO。

由图6可知，通过J2结的电流为上述三者之和，即

IJ2 1IA 2IK ICO