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?可控硅器件及相關功率器件

信息來源:本站 日期:2017-05-24 

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可控硅器件是一種非常重要的功率器件,可用來作高電壓和高電流的控制.可控硅器件主要用在開關方面,使器件從關閉或是阻斷的狀態轉換為開啟或是導通的狀態,反之亦然.我們已經討論過雙極型晶體管的開關特性,利用基極電流驅動晶體管和MOS管,從截止模式轉變為飽和模式的開啟狀態,或是從飽和模式轉變為截止模式的關閉狀態,可控硅器件的工作與雙極型晶體管有密切的關系,二者的傳導過程皆牽涉到電子和空穴,但可控硅器件的開關機制和雙極型晶體管是不同的,且因為器件結構不同,可控硅器件有較寬廣范圍的電流、電壓控制能力,現今的可控硅器件的額定電流可由幾毫安(mA)到超過5 000A;而額定電壓更超過10000V.我們先討論基本可控硅器件的工作原理,然后討論一些高功率和高頻率的可控硅器件.


基本特性

圖5. 22(a)是一可控硅器件的橫截面示意圖,是一個四層p-n-p-n器件,其中有三個串接的p-n結:J1、J2、J3與接觸電極相連的最外一層p層稱為陽極,另一邊的n層稱為陰極.這個沒有額外電極的結構是個兩端點的器件,被稱為p-n-p-n二極管.若另一稱為柵極的電極被連到內層的p層(p2),所構成的三端點器件‘被稱為半導體控制整流器或可控硅器件

圖5. 22(b)是一典型的可控硅器件摻雜濃度分布圖,首先選一高阻值的n型硅片起始材料(n層),再以一擴散步驟同時形成p1和p2層,最后用合金或擴散,在的一邊形成n2層,圖5.22(c)是可控硅器件在熱平衡狀態下的能帶圖,其中每一個結都盡層,其內建電勢由摻雜濃度決定,

圖5. 23表示基本的p-n-p-n二極管電流—電壓特性,其展現出五個不同的區域:


(o)—(1):器件處于正向阻斷或是關閉狀態,具有很高的阻抗;正轉折(或開關)發牛于dV/dl=o;在點l定義正向轉折電壓VBF和開關電流Is.

(1)—(2):器件處于負電阻區域,也就是電流隨電壓急驟降低而增加.

(2)—(3):器件處于正向導通或開啟狀態,具有低阻抗,在點2處dV/dI=O,定義保持電流Ih和保持電壓(holding voltage) Vh.

(o)—(4):器件處于反向附斷狀態。

(4)—(5):器件處于反向擊穿狀態,

因此,p-n-p-n二極管在正向區域是個雙穩態器件,以由高阻抗低電流的關閉狀態轉換到低阻抗高電流的開啟狀態,反之亦然,

要想了解正向阻斷特性,我們應先將此器件視為以特殊方式連接在一起的一個p- n-p晶體管和n-p-n晶體管,如圖5.24所示,它們的基區各自連接到對方的集電區,由式(3)和式(10)所表示射、集、基極的電流關系和直流共基電流增益,p-n-p晶體管(晶體管I,電流增益a1)的摹極電流為

其中I1是晶體管1的漏電流ICBO,此基極電流是由n-p-n晶體管(晶體管2,電流增益a2)的集電極所供應.n-p-n晶體管的集電極電流可寫為


其中I2是晶體管2的漏電流ICBO,由于IB1等于Ic2,可得出


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