1.5 单结晶体管和晶闸管

一、单结晶体管

1、单结晶体管的结构和等效电路

在一个低掺杂的N型硅棒上利用扩散工艺形成一个高掺杂P区，在P区与N区接触面形成PN结，就构成了单结晶体管（UJT：Unijuction Transistor）。其结构示意图如图1.5.1(a)所示，P型半导体引出的电极为发射极e；N型半导体的两端引出两个电极，分别为基极b1b_1b1和基极b2b_2b2。单结晶体管因有两个基极，故也称为双基极晶体管。其符号如图(b)所示。
单结晶体管的等效电路如图(ccc)所示，发射极所接P区与N型硅棒形成的PN结等效为二极管D；N型硅棒因掺杂浓度很低而呈现高电阻，二极管阴极与基极b2b_2b2之间的等效电阻为rb2r_{b2}rb2，与基极b1b_1b1之间的等效电阻为rb1r_{b1}rb1；rb1r_{b1}rb1的阻值受e−b1e-b_1e−b1间电压的控制，所以等效为可变电阻。

2、工作原理和特性曲线

单结晶体管的发射极电流iEi_EiE与e−b1e-b_1e−b1间电压uEB1u_{EB1}uEB1的关系曲线称为特性曲线。特性曲线的测试电路如图1.5.2(a)所示，虚线框内为单结晶体管的等效电路。当b2−b1b_2-b_1b2−b1间加电源VBBV_{BB}VBB，且发射极开路时，A点电位为UA=rb1rb1+rb2⋅VBB=ηVBB(1.5.1)U_A=\frac{r_{b1}}{r_{b1}+r_{b2}}\cdot V_{BB}=\eta V_{BB} \kern 60pt (1.5.1)UA=rb1+rb2rb1⋅VBB=ηVBB(1.5.1)式中η\etaη称为单结晶体管的分压比，其数值主要与管子的结构有关，一般在0.5~0.9之间。基极b2b_2b2的电流为IB2=VBBrb1+rb2(1.5.2)I_{B2}=\frac{V_{BB}}{r_{b1}+r_{b2}}\kern 120pt(1.5.2)IB2=rb1+rb2VBB(1.5.2)当e−b1e-b_1e−b1间电压uEB1u_{EB1}uEB1为零时，二极管承受反向电压，其值uEA=−ηVBBu_{EA}=-\eta V_{BB}uEA=−ηVBB。发射极的电流iEi_EiE为二极管的反向电流，记作IEOI_{EO}IEO。若缓慢增大uEB1u_{EB1}uEB1，则二极管端电压uEAu_{EA}uEA随之增大；根据PN结的反向特性可知，只有当uEAu_{EA}uEA接近零时，iEi_EiE的数值才明显减小；当uEB1=uEAu_{EB1}=u_{EA}uEB1=uEA时，二极管的端电压为零，iE=0i_E=0iE=0。若uEB1u_{EB1}uEB1继续增大，使PN结正向电压大于开启电压时，则iEi_EiE变为正向电流，从发射极eee流向基极b1b_1b1。此时，空穴浓度很高的P区向电子浓度很低的硅棒的A−b1A-b_1A−b1区注入非平衡少子；由于半导体材料的电阻与其载流子的浓度紧密相关，注入的载流子使rb1r_{b1}rb1减小；而且rb1r_{b1}rb1的减小，使其压降减小，导致PN结正向电压增大，iEi_EiE必然随之增大，注入的载流子将更多，于是rb1r_{b1}rb1进一步减小；当iEi_EiE增大到一定程度时，二极管的导通电压将变化不大，此时uBE1u_{BE1}uBE1将因rb1r_{b1}rb1的减小而减小，表现出负阻特性。
所谓负阻特性，是指输入电压（即uEB1u_{EB1}uEB1）增大到某一数值后，输入电流（即发射极电流iEi_EiE）愈大，输入端的等效电阻愈小的特性。
一旦单结晶体管进入负阻工作区域，输入电流iEi_EiE的增加只受输入回路外部电阻的限制，除非将输入回路开路或将iEi_EiE减小到很小的数值，否则管子将始终保持导通状态。
单结晶体管的特性曲线如图1.5.2(b)所示，当uEB1=0u_{EB1}=0uEB1=0时，iE=IEOi_E=I_{EO}iE=IEO；当uEB1u_{EB1}uEB1增大至UPU_PUP（峰点电压）时，PN结开始正向导通，UP=uA+UonU_P=u_A+U_{on}UP=uA+Uon，uAu_AuA如式(1.5.1)所示，UonU_{on}Uon为PN结的开启电压，此时iE=IPi_E=I_PiE=IP（峰点电流）；uEB1u_{EB1}uEB1再增大一点，管子就进入负阻区，随之iEi_EiE增大，rb1r_{b1}rb1减小，uEB1u_{EB1}uEB1减小，直至uEB1=UVu_{EB1}=U_VuEB1=UV（谷点电圧），iE=IVi_E=I_ViE=IV（谷点电流），UVU_VUV取决于PN结的导通电压和rb1r_{b1}rb1的饱和电阻rSr_SrS；当iEi_EiE再增大，管子进入饱和区。单结晶体管的三个工作区域如图1.5.2(b)中所标注。
单结晶体管的负阻特性广泛应用于定时电路和振荡电路中。除了单结晶体管外，具有负阻特性的器件还有隧道二极管、λ\lambdaλ双极性晶体管、负阻场效应管等。

3、应用举例

图1.5.3(a)所示为单结晶体管组成的振荡电路。所谓振荡，是指在没有输入信号的情况下，电路输出一定频率、一定幅值的电压或电流信号。在图1.5.3(a)所示电路中，当合闸通电时，电容C上的电压为零，管子截止，电源VBBV_{BB}VBB通过电阻R对C充电，随时间增长电容上电压uCu_CuC（即uEB1u_{EB1}uEB1）逐渐增大；一旦uEB1u_{EB1}uEB1增大到峰点电压UPU_PUP后，管子进入负阻区，输入端等效电阻急剧减小，使C通过管子的输入回路迅速放电，iEi_EiE随之迅速减小，一旦uEB1u_{EB1}uEB1减小到谷点电圧UVU_VUV后，管子截止；电容又开始充电。上述过程循环往返，只有当断电时才会停止，因而产生振荡。由于充电时间常数远大于放电时间常数，当稳定振荡时，电容上电压的波形如图(b)所示。

二、晶闸管

晶体闸流管简称晶闸管（Thyristor），也称为硅可控元件（SCR：Silicon Controlled Rectifier），是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件，对用于可控整流、逆变、调压等电路，也作为无触点开关。

1、结构和等效模型

由于晶闸管是大功率器件，一般均用在较高电压和较大电流的情况，故其外形均便于安装散热片和有利于散热。常见的晶闸管外形有螺栓形和平板形，如图1.5.4所示。此外，其封装形式有金属外壳和塑封外壳等。晶闸管的内部结构示意图如图1.5.5(a)所示，它由四层半导体材料组成，四层材料由P型半导体和N型半导体交替组成，分别为P1P_1P1、N1N_1N1、P2P_2P2和N2N_2N2，它们的接触面形成三个PN结，分别为J1J_1J1、J2J_2J2和J3J_3J3，故晶闸管也称为四层器件或PNPN器件。P1P_1P1区的引出线为阳极A，N2N_2N2区的引出线为阴极C，P2P_2P2区的引出线为控制极G。为了更好地理解晶闸管的工作原理，常将其N1N_1N1和P2P_2P2两个区域分解成两部分，使得P1−N1−P2P_1-N_1-P_2P1−N1−P2构成一只PNP型管，N1−P2−N2N_1-P_2-N_2N1−P2−N2构成一只NPN型管，如图(b)所示；用晶体管的符号表示，如图(ccc)所示；晶闸管的符号如图(d)所示。

2、工作原理

当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压而控制极不加电压时，J2J_2J2处于反向偏置，管子不导通，称为阻断状态。
当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压且控制极和阴极之间也加正向电压时，如图1.5.6所示，J3J_3J3处于导通状态。若T2T_2T2管的基极电流为iB2i_{B2}iB2，则其集电极电流为β2iB2\beta _2i_{B2}β2iB2；因而T1T_1T1管的集电极电流iC1i_{C1}iC1为β1β2iB2\beta_1\beta_2i_{B2}β1β2iB2；该电流又作为T2T_2T2管的基极电流，再一次进行上述放大过程，形成正反馈。在很短的时间内（一般不超过几微秒），两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程称为触发导通过程。晶闸管一旦导通，控制极就失去控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。晶闸管导通后，阳极和阴极之间的电压一般为0.6~1.2V，电源电压几乎全部加在负载上；阳极电流iAi_AiA因型号不同可达几十 ~ 几千安。如果能够使阳极电流iAi_AiA减小到小于一定数值IHI_HIH，导致晶闸管不能维持正反馈过程，管子将关断，这种关断称为正向关断，IHI_HIH称为关断电流；如果在阳极和阴极之间加反向电压，晶闸管也将关断，这种关断称为反向关断。因此，控制极只能通过加正向电压控制晶闸管从阻断状态变为导通状态；而要使晶闸管从导通状态变为阻断状态，则必须通过减小阳极电流或改变A-C电压极性的方法实现。

3、晶闸管的伏安特性

以晶闸管的控制极电流iGi_GiG为参变量，阳极电流 iii 与A-C间电压 uuu 的关系称为晶闸管的伏安特性，即i=f(u)∣IG(1.5.3)i=f(u)\left.\right|_{I_G}\kern 80pt(1.5.3)i=f(u)∣IG(1.5.3)图1.5.7所示为晶闸管的伏安特性曲线。u>0u>0u>0时的伏安特性称为正向特性。从图1.5.7所示的伏安特性曲线可知，当IG=0I_{G}=0IG=0时，uuu 逐渐增大，在一定限度内，由于J2J_2J2处于反向偏置，iii 为很小的正向漏电流，曲线与二极管的反向特性类似；当 uuu 增大到一定数值后，晶闸管导通，iii 骤然增大，uuu 迅速下降，曲线与二极管的正向特性类似；这种导通方式容易造成晶闸管击穿而损坏，应当避免；使晶闸管从阻断到导通的A-C电压 uuu 称为转折电压UBOU_{BO}UBO。正常工作时，应在控制极和阴极间加触发电压，因而IGI_GIG大于零；而且，IGI_{G}IG愈大，转折电压愈小，如图1.5.7所示。A-C所在回路的电阻（通常为负载电阻）限制了阳极电流。
u<0u<0u<0时的伏安特性称为反向特性。从图1.5.7所示的伏安特性曲线可知，晶闸管的反向特性与二极管的反向特性相似。当晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压时，由于J1J_1J1和J3J_3J3均处于反向偏置，因而只有很小的反向电流IRI_RIR；当反向电压增大到一定数值时，反向电流骤然增大，管子击穿。

4、晶闸管的主要参数

（1）额定正向平均电流IF\pmb{I_F}IFIF：在环境温度小于40℃和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管阳极的工频（50Hz）正弦波半波电流的平均值。
（2）维持电流IH\pmb{I_H}IHIH：在控制极开路且规定的环境温度下，晶闸管维持导通时的最小阳极电流。正向电流小于IHI_HIH时，管子自动阻断。
（3）触发电压UG\pmb{U_G}UGUG和触发电流IG\pmb{I_G}IGIG：室温下，当u=6Vu=6Vu=6V时使晶闸管从阻断到完全导通所需最小的控制极直流电压和电流。一般，UGU_GUG为1 ~ 5V，iGi_GiG为几十至几百毫安。
（4）正向重复峰值电压UDRM\pmb{U_{DRM}}UDRMUDRM：控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。一般UDRM=UBO×80%U_{DRM}=U_{BO}\times80\%UDRM=UBO×80%，UBOU_{BO}UBO是晶闸管在IGI_{G}IG为零时的转折电压。
（5）反向重复峰值电压URRM\pmb{U_{RRM}}URRMURRM：控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。一般URRM=UBR×80%U_{RRM}=U_{BR}\times80\%URRM=UBR×80%。
除以上参数外，还有正向平均电压、控制极反向电压等。
晶闸管具有体积小、重量轻、耐压高、效率高、控制灵敏和使用寿命长等优点，并使半导体器件的应用从弱电领域进入强电领域，广泛用于整流、逆变和调压等大功率电子电路中。

【例1.5.1】图1.5.8(a)所示为可控半波整流电路，已知输入电压uiu_iui和晶闸管控制极的电压uGu_GuG波形如图(b)所示；在阳极与阴极间电压合适的情况下，uG=UHu_G=U_HuG=UH时可以使管子导通；管子的导通管压降可忽略不计。试定性画出负载电阻RLR_LRL上的电压uou_ouo的波形。解：当ui<0u_i<0ui<0时，不管uGu_GuG为UHU_HUH还是ULU_LUL，晶闸管均处于截止状态。当ui>0u_i>0ui>0且uG=UHu_G=U_HuG=UH时，在uGu_GuG的触发下，晶闸管导通。此时，即使uGu_GuG变为ULU_LUL，管子仍维持导通状态。只有当uiu_iui下降使阳极电流减小到很小时，管子才阻断；可以近似认为当uiu_iui下降到零时，管子关断。若管子的导通管压降可忽略不计，在管子导通时，uo≈uiu_o\approx u_iuo≈ui。因此，uou_ouo的波形如图(ccc)所示。