晶闸管的结构以及工作原理

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P 1N 1P 2结构，然后在P 2的大部分区域扩散N 型杂质（磷或锑）形成阴极，同时在P 2上引出门极，在P 1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V AK 加正向电压时，J 1和J 3正偏，J 2反偏，外加电压几乎全部降落在J 2结上，J 2结起到阻断电流的作用。随着V AK 的增大，只要V AK

当晶闸管处于断态（V AK

当晶闸管的阳极相对于阴极为负，只要V AK

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，J 1和J 3结承受正向电压，而J 2结承受反向电压，外加电压几乎全部落在J 2结身上。反偏J 2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J 2结的雪崩击穿电压V BJ 2时，反偏J 2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J 2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J 2结的电流，由原来的反向电流转变为主要由J 1和J 3结注入的载流子经过基区衰减而在J 2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，J 2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N 1区，空穴进入P 2区，由于不能很快的复合，所以造成J 2结两侧附近发生载流子积累：空穴在P 2区、电子在N 1区，补偿离化杂质电荷，使得空间电荷区变窄。由此使得P 2区电位升高、N 1区电位下降，起了抵消外电场作用。随着J 2结上外加电压下降，雪崩倍增效效

应也随之减弱。另一方面J 1和J 3结的正向电压却有所增强，注入增加，造成通过J 2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J 2结两侧形成电子和空穴的积累，造成J 2结反偏电压减小；同时又使得J 1和J 3结注入增强，电路增大，因而J 2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，J 2结两侧仍有空穴和电子积累，J 2结变为正偏。此时J 1、J 2和J 3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，J 1和J 3结反偏，由于重掺杂的J 3结击穿电压很低，J 1

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 1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α1和α2的

P 1N 1P 2和N 1P 2N 2晶体管，其中J 2结为共用集电结，如图6所示。当器件加正向

电压时。正偏J 1结注入空穴经过N 1区的输运，到达集电极结（J 2）空穴电流为

α1I A ；而正偏的J 3结注入电子，经过P 2区的输运到达J 2结的电流为α2I K 。由于

J 2结处于反向，通过J 2结的电流还包括自身的反向饱和电流I CO 。

由图6可知，通过J 2结的电流为上述三者之和，即

I J 2=α1I A +α2I K +I CO

（1）

假定发射效率γ1=γ2=1，根据电流连续性原理I J 2=I A =I K ，所以公式（1）变成：

I A =

I CO

1-(α1+α2)

（2）

公式说明，当正向电压小于J 2结的雪崩击穿电压V B ，倍增效应很小，注入电流也很小，所以α1和α2也很小，故有

α1+α2

此时的I CO 也很小。所以J 1和J 3结正偏，所以增加V AK 只能使J 2结反偏压增大，并不能使I CO 及I A 增加很多，因而器件始终处于阻断状态，流过器件的电流与I CO 同一数量级。因此将公式（3）称为阻断条件。

当V AK 增加使得J 2结反偏压增大而发生雪崩倍增时候，假定倍增因子

M

n

=M

p

=M

，则I CO 、α1和α2都将增大M 倍，故（2）变成

I A =

MI

CO

1-M (α1+α2)

（4）

此时分母变小，I A 将随V AK 的增长而迅速增加，所以当

M (α1+α2) =1 （5）

便达到雪崩稳定状态极限（V AK =V BO ），电流将趋于无穷大，因此（5）式称为正向转折条件。

准确的转折点条件，是根据特性曲线下降段的起点来标志转折点。在这点

dV dI

AK A

=0，

d V AK dI

2A

2

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α1和α2

是电流的函数，M 是V J 2的函数，可近似用M (V J 2) =M (V AK ) ，I CO 为常数，对（4）求导

dI dV

A AK

，计算结果是

d α1dI

A

dV AK dI

A

=

1dI

A

1-M (α1+I A =

) -M (α2+I A

dM dV AK

d α2dI

A

)

（6）

dV AK

(α1I A +α2I A +I CO )

由于转折电压低于击穿电压，故

dV dI

dM dV

AK

为一恒定值。分母也为恒定值，由于

AK A

=0，分子也必须为零，可得到

M (α1+I A

d α1dI

A

) +M (α2+I A

d α2dI

A

) =1 （7）

根据晶体管直流电压放大系数的定义，

I C =αI E +I CBO

（8）

即可得到小信号电流放大系数

~

α=

dI C dI

E

=α+I E

d αdI

E

（9）

利用公式（9）可把公式（7）变为

M (α1+α2) =1

~

~

~

（10）

即在转折点，倍增因子与小信号α之和的乘积刚好为1。PNPN 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α是随着电流I E 变化的，当I A 增大，α1和α2都随之增大。由此可知，

在电流较大时，满足（6）的M 值反而可以减小。这说明I A 增大，V AK 相应减小，这正是图5中曲线（2~3）所示的负阻段。

当α一定时电流增大则相α既是电流的函数名同时也是集电结电压的函数，

应的集电结反偏压减小。当电流很大，会出现

α1+α2>1 （6）

根据方程（2），J 2结提供一个通态电流（I CO

J 1、J 2和J 3结全部正偏，器件处于导通。这便是图5中的低压大电流段。

器件有断态变为通态，关键在于J 2结必须由反偏转为正偏。J 2结反向专为正向的条件是P 2区、N 1区分别应有空穴和电子积累。从图（6）可以看出，P 2区有空穴积累的条件是，J 1结注入并且被J 2收集到P 2区的空穴量α1I A 要大于同

(1-α2) I K 通过复合而消失的空穴量，即

α1I A >(1-α2) I K （7）

因为I A =I K ，所以得到α1+α2>1。只要条件成立，P 2区的空穴积累同样，N 1区电子积累条件为

α2I A >(1-α1) I K （8）

故

α1+α2>1 （9）

可见当α1+α2>1条件满足时候，P 2区电位为正，N 1区电位为负。J 2结变为正偏，器件处于导通状态，所以α1+α2>1称为导通条件。

五、门极触发原理

如图5-7所示，断态时，晶闸管的J 1和J 3结处于轻微的正偏，J 2结处于反偏，承受几乎全部断态电压。由于受反向J 2结所限，器件只能流过很小的漏电流。若在门极相对于阴极加正向电压V G ，便会有一股与阳极电流同方向的门极电流I G 通过J 3结，于是通过J 3结的电流便不再受反偏J 2结限制。只要改变加在

J 3结上的电压，便可以控制J 3结的电流大小。I G

增大时，通过J 3结的电流的电

流也随着增大，由此引起N 2区向P 2区注入大量的电子。注入P 2区的电子，一部分与空穴复合，形成门极电流的一部分，另一部分电子在P 2区通过扩散到达J 2结被收集到N 1区，由此引起通过J 2结电子电流增加，α2随之增大。电子被收集到

N 1区使得该地区电位下降，从而使得J 1结更加正偏，注入空穴电流增大，于是

通过P 1N 1P 2N 2结构的电流I A 也增大。而α1和α2都是电流的函数，它将随着电流

I A 增大而变大。这样，当门极电流I G 足够大时候，就会使得通过器件的电流增

大，使得α1+α2>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导通。I G 越大，导通时候的转折电压就越低，如图4所示。

对于三端晶闸管，如图所示7，通过J 2结的各电流分量之和仍然等于总电流

I A ，即

I C 1=α1I A

（1）

I C 2=α2I A （2）

I K =I G +I A

（3）

I A =I c 1+I c 2+I CO （4）

将（1）和（3）分别代入（4）有

I A =α1I A +α2I K +I CO

（5）

当考虑倍增效应情况下，各电流分量经过J 2结空间电荷区后都要增大M 倍，

因此

I A =M α1I A +M α2I K +MI

CO

（8）

I A =

M (I CO +α2I G ) 1-M (α1+α2) I CO +α2I G

（9）

I A =

1-(α1+α2)

（当M=1） （10）

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α1和α2

以及I G 和I CO 的关系。

（一）当I G =0时

特性曲线就变成PNPN 两端器件的特性方程

I A =

I CO

1-(α1+α2)

在没有结作用（α1=α2=0）情况下 I A =I CO

当α1、α2≠0，而α1+α2

当α1+α2=1时，I CO 必须为零，它是电流连续性的必要条件，意味着J 2结电压V 2=0，因为只有此时J 2结本身对电流没有作用，电流特性曲线发生转折。 （三）当I G ≠0时

α2是(I A +I G ) 的函数，α1是I A 的函数。对于同样的外加电压（即M ）相同，

I G ≠0时的漏电流比I G =0

时的漏电流大。表现在阻断特性上就是I G 越大，曲线

越向大电流方向移动。

另一方面，当M (α1+α2) →1时，I A →∞，器件发生转折。如果电压保持不变（即M 相同），那么可以通过加大门极电流I G 使得α2(I A +I G ) 变大，直到

M (α1+α2) →1发生转折。只要所加的I G 足够大，在电压V A 很低的情况下，同

样可以达到转折条件，甚至可以使得阻断曲线完全消失（见图4中的I G 3那条曲线）。

M (α1+α2) →1，I A →∞，这点标志正向阻断状态的结束，同时又是导通的开始。所以dV A

dI A =0处为转折点。

（四）当(α1+α2) >1时，根据(19)，J 2结提供了一个通态电流（I CO

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。 ● 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，当加上足够大的触发电流I G 时（几号安~几百毫安），器件便会提前转折而导通。器件可以通过（1~1000A）以上的大电流，正向压降很小，晶闸管导通后，撤去门极电流

I H I G ，器件仍能维持导通状态，直到阳极电流I A 下降到低于，器件才会重新回到阻断状态。所以晶闸管和一般的整流管不同，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。因而可利用不同的触发方式制造出使用各种用途的派生器件。

● 在反向工作区（第三象限），除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（I GT ）

使晶闸管从阻断到完全导通所必须的最小门极电流。

2、极触发电压（V GT ）

对应于门极触发电流的门极电压。

3、维持电流（I H ）

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（V DRM ）

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 GT 、触发电流I GT 和维持电流I H 三项参数

1 概述

本仪器是晶闸管触发电压V GT 、触发电流I GT 和维持电流I H 三项参数的专用测 试设备。适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

2.1 A(T2) 、K(T1) 间的断态电压：DC 12V(内部限流电阻6.8Ω) 。

2.2 触发电流、维持电流测量范围：1-450mA

2.3 触发电压测量范围：0-7V

2.4 测量时间：小于2S

2.5 工作条件

电源:AC 220V±10% 50HZ

温度：0-40℃

2.6 整机功耗：小于75VA

2.7 整机重量：约10Kg

2.8 整机尺寸：440×440×150mm

3 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0.5A/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)

4.1.1 “电源”开关

此开关掷向开时，内藏指示灯亮，电源接通。

图4.1 面板图

4.1.2 “A(T2) 、K(T1) 、G ”接线端子

被测器件接线端子

4.1.3 “mA ”电流显示表

显示被测器件的触发(维持) 电流，单位毫安。

4.1.4 “V ”电压显示表

显示被测器件的触发电压，单位伏特。

4.1.5“I G Ⅰ+”触发象限选择键

按动此键，内藏指示灯亮，主回路A(T2) 接正、K(T1) 接负、G 接正，仪器处于触发电流待测状态。

4.1.6 “I G Ⅰ-”触发象限选择键

按动此键，内藏指示灯亮，主回路A(T2) 接正、K(T1) 接负、G 接负，仪器处于触发电流待测状态。

4.1.7 “I G Ⅲ-”触发象限选择键

按动此键，内藏指示灯亮，主回路A(T2) 接负、K(T1) 接正、G 接负，仪器处于触发电流待测状态。

4.1.8 “I H ”功能选择键

按动此键，内藏指示灯亮，“mA ”电流显示表显示大于“450”的某一数值，仪器处于维持电流待测状态。

4.1.9 “复位”键

按动此键，在触发参数待测状态下，“mA ”电流和“V ”电压显示表显示零。在维持电流待测状态下，“mA ”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。

4.1.10 “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。

4.3 测试步骤

4.3.1 打开“电源”开关。

4.3.2 将被测器件接在“A 、K 、G ”接线端子上。

4.3.3 选择“I G Ⅰ+”、“I G Ⅰ-”、“I G Ⅲ-”触发象限功能键或“I H ”维持电流功能键。

测试普通、快速晶闸管选择“I G Ⅰ+”，测试KS 双向晶闸管分别选择“I G Ⅰ+”、“I G Ⅰ-”、“I G Ⅲ-”，测试维持电流选择“I H ”。

4.3.4 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 左右的某一数值。

4.3.5 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，测完自动停止变化；测维持电流时，电流表显示数字由大到小变化，测完自动停止。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) 。

4.3.6 更换被测器件后，按4.3.3-4.3.5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。