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$b_1$和基极$b_2$。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($c$)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$b_2$之间的等效电阻为$r_{b2}$，与基极$b_1$之间的等效电阻为$r_{b1}$；$r_{b1}$的阻值受$e-b_1$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$i_E$与$e-b_1$间电压$u_{EB1}$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$b_2-b_1$间加电源$V_{BB}$，且发射极开路时，A点电位为$$U_A=\frac{r_{b1}}{r_{b1}+r_{b2}}\cdot V_{BB}=\eta V_{BB}(\mathrm{1.5.1})$$式中$\eta$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$b_2$的电流为$$I_{B2}=\frac{V_{BB}}{r_{b1}+r_{b2}}(\mathrm{1.5.2})$$当$e-b_1$间电压$u_{EB1}$为零时，二极管承受反向电压，其值$u_{EA}=-\eta V_{BB}$。发射极的电流$i_E$为二极管的反向电流，记作$I_{EO}$。若缓慢增大$u_{EB1}$，则二极管端电压$u_{EA}$随之增大；根据PN结的反向特性可知，只有当$u_{EA}$接近零时，$i_E$的数值才明显减小；当$u_{EB1}=u_{EA}$时，二极管的端电压为零，$i_E=0$。若$u_{EB1}$继续增大，使PN结正向电压大于开启电压时，则$i_E$变为正向电流，从发射极$e$流向基极$b_1$。此时，空穴浓度很高的P区向电子浓度很低的硅棒的$A-b_1$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$r_{b1}$减小；而且$r_{b1}$的减小，使其压降减小，导致PN结正向电压增大，$i_E$必然随之增大，注入的载流子将更多，于是$r_{b1}$进一步减小；当$i_E$增大到一定程度时，二极管的导通电压将变化不大，此时$u_{BE1}$将因$r_{b1}$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$u_{EB1}$）增大到某一数值后，输入电流（即发射极电流$i_E$）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$i_E$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$i_E$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$u_{EB1}=0$时，$i_E=I_{EO}$；当$u_{EB1}$增大至$U_P$（峰点电压）时，PN结开始正向导通，$U_P=u_A+U_{on}$，$u_A$如式(1.5.1)所示，$U_{on}$为PN结的开启电压，此时$i_E=I_P$（峰点电流）；$u_{EB1}$再增大一点，管子就进入负阻区，随之$i_E$增大，$r_{b1}$减小，$u_{EB1}$减小，直至$u_{EB1}=U_V$（谷点电圧），$i_E=I_V$（谷点电流），$U_V$取决于PN结的导通电压和$r_{b1}$的饱和电阻$r_S$；当$i_E$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、$\lambda$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$V_{BB}$通过电阻R对C充电，随时间增长电容上电压$u_C$（即$u_{EB1}$）逐渐增大；一旦$u_{EB1}$增大到峰点电压$U_P$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，$i_E$随之迅速减小，一旦$u_{EB1}$减小到谷点电圧$U_V$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$P_1$、$N_1$、$P_2$和$N_2$，它们的接触面形成三个PN结，分别为$J_1$、$J_2$和$J_3$，故晶闸管也称为四层器件或PNPN器件。$P_1$区的引出线为阳极A，$N_2$区的引出线为阴极C，$P_2$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$N_1$和$P_2$两个区域分解成两部分，使得$P_1-N_1-P_2$构成一只PNP型管，$N_1-P_2-N_2$构成一只NPN型管，如图(b)所示；用晶体管的符号表示，如图($c$)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，$J_2$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，$J_3$处于导通状态。若$T_2$管的基极电流为$i_{B2}$，则其集电极电流为${\beta }_2{i}_{B2}$；因而$T_1$管的集电极电流$i_{C1}$为${\beta }_1{\beta }_2{i}_{B2}$；该电流又作为$T_2$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$i_A$因型号不同可达几十 ~ 几千安。如果能够使阳极电流$i_A$减小到小于一定数值$I_H$，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，$I_H$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$i_G$为参变量，阳极电流 $i$ 与A-C间电压 $u$ 的关系称为晶闸管的伏安特性，即$$i=f(u){|}_{I_G}(\mathrm{1.5.3})$$图1.5.7所示为晶闸管的伏安特性曲线。$u>0$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$I_G=0$时，$u$ 逐渐增大，在一定限度内，由于$J_2$处于反向偏置，$i$ 为很小的正向漏电流，曲线与二极管的反向特性类似；当 $u$ 增大到一定数值后，晶闸管导通，$i$ 骤然增大，$u$ 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 $u$ 称为转折电压$U_{BO}$。正常工作时，应在控制极和阴极间加触发电压，因而$I_G$大于零；而且，$I_G$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。
$u<0$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$J_1$和$J_3$均处于反向偏置，因而只有很小的反向电流$I_R$；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$I_F{I}_F$：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$I_H{I}_H$：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$I_H$时，管子自动阻断。
（3）触发电压$U_G{U}_G$和触发电流$I_G{I}_G$：室温下，当$u=6V$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，$U_G$为1 ~ 5V，$i_G$为几十至几百毫安。
（4）正向重复峰值电压$U_{DRM}{U}_{DRM}$：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$U_{DRM}=U_{BO}\times 80\%$，$U_{BO}$是晶闸管在$I_G$为零时的转折电压。
（5）反向重复峰值电压$U_{RRM}{U}_{RRM}$：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$U_{RRM}=U_{BR}\times 80\%$。
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$u_i$和晶闸管控制极的电压$u_G$波形如图(b)所示；在阳极与阴极间电压合适的情况下，$u_G=U_H$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$R_L$上的电压$u_o$的波形。解： 当$u_i<0$时，不管$u_G$为$U_H$还是$U_L$，晶闸管均处于截止状态。当$u_i>0$且$u_G=U_H$时，在$u_G$的触发下，晶闸管导通。此时，即使$u_G$变为$U_L$，管子仍维持导通状态。只有当$u_i$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$u_i$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，$u_o\approx u_i$。因此，$u_o$的波形如图($c$)所示。