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211P N P 结构，然后在2P 的大部分区域扩散N 型杂质（磷或锑）形成阴极，同时在2P 上引出门极，在1P 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AK V 加正向电压时，1J 和3J 正偏，2J 反偏，外加电压几乎全部降落在2J 结上，2J 结起到阻断电流的作用。

随着AK V 的增大，只要BO AK V V <，通过阳极电流A I 都很小，因而称此区域为正向阻断状态。

当AK V 增大超过BO V 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T I ，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BO V 及其所对应的BO I 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H I 的某一临界值以下，器件才能被关断。

当晶闸管处于断态（BO AK V V <）时，如果使得门极相对于阴极为正，给门极通以电流G I ，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。

转折电压BO V 以及转折电流BO I 都是G I 的函数，G I 越大，BO V 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RO AK V V <，A I 很小，且与G I 基本无关。

但反向电压很大时（RO AK V V ≈），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RO V 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，1J 和3J 结承受正向电压，而2J 结承受反向电压，外加电压几乎全部落在2J 结身上。

反偏2J 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2J 结的雪崩击穿电压2BJ V 时，反偏2J 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2J 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2J 结的电流，由原来的反向电流转变为主要由1J 和3J 结注入的载流子经过基区衰减而在2J 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，2J 结空间电荷区雪崩倍增所产生大量的电子—空穴对，受到反向反向电场的抽取作用，电子进入1N 区，空穴进入2P 区，由于不能很快的复合，所以造成2J 结两侧附近发生载流子积累：空穴在2P 区、电子在1N 区，补偿离化杂质电荷，使得空间电荷区变窄。

由此使得2P 区电位升高、1N 区电位下降，起了抵消外电场作用。

随着2J 结上外加电压下降，雪崩倍增效效应也随之减弱。

另一方面1J 和3J 结的正向电压却有所增强，注入增加，造成通过2J 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2J 结两侧形成电子和空穴的积累，造成2J 结反偏电压减小；同时又使得1J 和3J 结注入增强，电路增大，因而2J 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，2J 结两侧仍有空穴和电子积累，2J 结变为正偏。

此时1J 、2J 和3J 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，1J 和3J 结反偏，由于重掺杂的3J 结击穿电压很低，1J 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1J 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1α和2α的211P N P 和221N P N 晶体管，其中2J 结为共用集电结，如图6所示。

当器件加正向电压时。

正偏1J 结注入空穴经过1N 区的输运，到达集电极结（2J ）空穴电流为A I 1α；而正偏的3J 结注入电子，经过2P 区的输运到达2J 结的电流为K I 2α。

由于2J 结处于反向，通过2J 结的电流还包括自身的反向饱和电流CO I 。

由图6可知，通过2J 结的电流为上述三者之和，即CO K A J I I I I ++=212αα （1）假定发射效率121==γγ，根据电流连续性原理K A J I I I ==2，所以公式（1）变成：)(121αα+-=CO A I I （2） 公式说明，当正向电压小于2J 结的雪崩击穿电压B V ，倍增效应很小，注入电流也很小，所以1α和2α也很小，故有121<+αα （3）此时的CO I 也很小。

所以1J 和3J 结正偏，所以增加AK V 只能使2J 结反偏压增大，并不能使CO I 及A I 增加很多，因而器件始终处于阻断状态，流过器件的电流与CO I 同一数量级。

因此将公式（3）称为阻断条件。

当AK V 增加使得2J 结反偏压增大而发生雪崩倍增时候，假定倍增因子M M M p n ==，则CO I 、1α和2α都将增大M 倍，故（2）变成)(121αα+-=M MI I CO A （4） 此时分母变小，A I 将随AK V 的增长而迅速增加，所以当1)(21=+ααM （5）便达到雪崩稳定状态极限（BO AK V V =），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0=A AK dI dV ，022<AAK dI V d 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1α和2α是电流的函数，M 是2J V 的函数，可近似用)()(2AK J V M V M =，CO I 为常数，对（4）求导AKA dV dI ，计算结果是 AKCO A A A A A A AK AA AK dV dM I I I dI d I M dI d I M dV dI dI dV )()()(11212211+++-+-==αααααα （6） 由于转折电压低于击穿电压，故AKdV dM 为一恒定值。

分母也为恒定值，由于0=AAK dI dV ，分子也必须为零，可得到 1)()(2211=+++AA A A dI d I M dI d I M αααα （7） 根据晶体管直流电压放大系数的定义，CBO E C I I I +=α （8）即可得到小信号电流放大系数EE E C dI d I dI dI ααα+==~ （9） 利用公式（9）可把公式（7）变为1)(2~~1=+ααM （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E I 变化的，当A I 增大，1α和2α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A I 增大，AK V 相应减小，这正是图5中曲线（2~3）所示的负阻段。

α既是电流的函数名同时也是集电结电压的函数，当α一定时电流增大则相应的集电结反偏压减小。

当电流很大，会出现 121>+αα （6）根据方程（2），2J 结提供一个通态电流（0<CO I ）。

因此2J 结必须正偏，于是 1J 、2J 和3J 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2J 结必须由反偏转为正偏。

2J 结反向专为正向的条件是2P 区、1N 区分别应有空穴和电子积累。

从图（6）可以看出，2P 区有空穴积累的条件是，1J 结注入并且被2J 收集到2P 区的空穴量A I 1α要大于同K I )1(2α-通过复合而消失的空穴量，即K A I I )1(21αα-> （7）因为K A I I =，所以得到121>+αα。

只要条件成立，2P 区的空穴积累同样，1N 区电子积累条件为K A I I )1(12αα-> （8）故121>+αα （9）可见当121>+αα条件满足时候，2P 区电位为正，1N 区电位为负。

2J 结变为正偏，器件处于导通状态，所以121>+αα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1J 和3J 结处于轻微的正偏，2J 结处于反偏，承受几乎全部断态电压。

由于受反向2J 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G V ，便会有一股与阳极电流同方向的门极电流G I 通过3J 结，于是通过3J 结的电流便不再受反偏2J 结限制。

只要改变加在3J 结上的电压，便可以控制3J 结的电流大小。

G I 增大时，通过3J 结的电流的电流也随着增大，由此引起2N 区向2P 区注入大量的电子。

注入2P 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2P 区通过扩散到达2J 结被收集到1N 区，由此引起通过2J 结电子电流增加，2α随之增大。

电子被收集到1N 区使得该地区电位下降，从而使得1J 结更加正偏，注入空穴电流增大，于是通过2211N P N P 结构的电流A I 也增大。

而1α和2α都是电流的函数，它将随着电流A I 增大而变大。

这样，当门极电流G I 足够大时候，就会使得通过器件的电流增大，使得121>+αα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。

G I 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2J 结的各电流分量之和仍然等于总电流A I ，即A C I I 11α= （1）A C I I 22α= （2）A G K I I I += （3）CO c c A I I I I ++=21 （4）将（1）和（3）分别代入（4）有CO K A A I I I I ++=21αα （5）当考虑倍增效应情况下，各电流分量经过2J 结空间电荷区后都要增大M 倍，因此CO K A A MI I M I M I ++=21αα （8）)(1)(212ααα+-+=M I I M I G CO A （9） )(1212ααα+-+=G CO A I I I （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1α和2α以及G I 和CO I 的关系。