一般地,具有PNPN四層三結結構的器件是晶閘管。嚴格來說,根據國際電工委員會(IEC)的標準定義,具有3個或者3個以上PN結,其伏安特性至少在一個象限內具有導通和阻斷兩個穩定狀態,并可以在兩個狀態之間進行切換的電力半導體器件為晶閘管。晶閘管可以分為很多類型,比如內部存在反并聯二極管的逆導型晶閘管(RC-Thyristor),電流可雙向控制導通的雙向晶閘管(TRI-AC),門極關斷晶閘管(GTO)和門極換流晶閘管(GCT)等。在實際應用,一般將普通的具有雙向阻斷能力、只能控制正向導通的半控型晶閘管,直接稱為晶閘管,或者SCR(硅控整流器),而其他類型晶閘管根據它們的功能和特性命名。
晶閘管在通態時可以承受非常大的浪涌電流,而在阻態能承受非常高的電壓,這兩點的極限值在目前的所有器件中都是最高的,如果沒有無法自關斷這個嚴重的缺陷,那么晶閘管就是完美的電力半導體器件。這跟晶閘管的結構有密切關系。
晶閘管也是一個三端器件,按照現有的應用習慣,其三個端子定義為陽極(A,anode)、陰極(K,cathode)和門極(G,gate)。晶閘管的符號以及對應三個端子的定義如圖1所示。
實際上一個典型的晶閘管的結構如圖2所示,一般從陽極到陰極的雜質半導體的性質為PNPN,因此存在3個PN結,從陽極到陰極依次為J1、J2和J3。此時,這3個結不再像晶體管那樣有具體的名稱。這3個PN結可以通過合金—擴散法或全擴散法形成,陽極、陰極和門極電極分別通過金屬連接與對應的半導體層相連接。
為了分析方便,這里把如圖2所示的晶體管簡化成如圖3所示的簡化結構圖,并認為各雜質半導體的摻雜濃度是均勻的,按照晶閘管在實際電路中的使用情況,圖中還給出了用于晶閘管運行原理分析的外圍電路,則流入晶閘管陽極的電流為IA,流出晶閘管陰極的電流為IK,流入晶閘管門極的電流為IG,晶閘管陽極到陰極之間的電壓為UAK。
晶閘管各部分的摻雜濃度如圖4所示。其中與陽極和陰極相連的分別為重摻雜的P+和N+層,與門極相連的重摻雜P+層,此三層的厚度(在圖中體現為寬度)都較小,剩下的一層為相對輕摻雜的層N-層,其厚度較大,而厚度較大的輕摻雜對器件的耐壓和通態特性都有顯著的影響。
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原文標題:功率半導體應用知識講座(19)——晶閘管的基本結構
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