GTO的基本结构和工作原理
GTO的基本结构
GTO是一种电流控制型的自关断双极器件,当门极引入正向电流时导通,引入反向电流是关断,但不能像GTR那样在门极信号撤除时也能自行关断。这就是说,GTO跟普通晶闸管一样,一旦导通即能在导通状态下自锁(Latch-up),是一种必须靠门极电流的极性变化来改变通断状态的晶闸管。
图3-1 GTO并联单元结构的断面示意图
GTO的基本结构与基本工作原理与普通晶闸管大同小异,只是为了实现门极关断和提高门极的控制能力而扩大了P基区(门极区)对N+发射区(阴极区)的相对面积,并将N+发射区化整为零,分置与P区环绕之中,这些分离开的微小N+发射区通过共用P基区,N+基区,P发射区,形成GTO的管芯的全部晶闸管单元,每个单元晶闸管各有其独立的阴极,通常用压接方式把他们并联于同一阴极压块上。GTO的阳极通常是烧结在公共P发射区表面的钼片或钨片,而门极则是淀积在P基区表面的梳状铝层。对于面积较大的圆形芯片,门极可做成多级同心梳状环,梳齿与排成环状的单元相间。其中图3-1所示为GTO管芯的局部断面示意图。
GTO的阴极和门极并不在同一平面上,这有利于阴极的压接和门极的引出。同时,每个晶闸管单元为J3结通过台面造型也改善了结表面的电压阻断能力。由此可见,GTO的制造工艺比普通晶闸管的制造工艺精细的多,复杂的多。
GTO同普通晶闸管在结构上的主要区别,除了化整为零这一点外,还有两个显著之点。其一是GTO用门极包围阴极,而普通晶闸管用阴极包围门极,不管是中央门极结构还是放射状门极结构;其二是GTO没有阴极短路点。为了改善GTO关断特性和高温特性,有在阳极设短路点的所谓阳极短路型GTO,这种GTO的反向阻断能力较差。
就每个单元而言,GTO的开通过程与普通晶闸管完全相同,也是靠门极注入正向电流来满足导通条件:α1+α2>1,并且也是在N+发射区邻近门极的边沿首先导通,然后通过等离子体扩展实现全面导通,略有不同的是,GTO的导通是同时在各个单元里发生的,等离子体在各个单元里同时从边沿向中心扩展,而普通晶闸管作为一个完整的大单元来开通,等离子体的扩展面积要大的多。
GTO的关断过程也是在各个单元里同时进行的,但其关断方式和原理与普通晶闸管不同,它是靠反偏门极对P基区中空穴的抽取来实现关断的。对于晶闸管类型的器件来说,P基区中的等离子体是维持导通的必要条件。当等离子体中的空穴随着门极负电流流走时,J2结和J3结的正偏条件被消弱,N+发射区通过J3结向P基区注入额外电子的注入效率相对下降,直至完全失去正偏条件,停止额外电子的注入。当然,这个过程也是在每个单元里从边沿向中心逐渐推进的,等离子体从外向里逐渐缩小,J3结从外向里逐渐恢复阻断作用。当等离子体收缩到一定限度时,J3结仍然保持正偏状态的中央部分有限的注入已难以通过内部电流的再生正反馈作用维持整个单元的导通状态,于是J3结恢复反偏状态,GTO的每个单元都恢复了J2结的反向阻断能力时即被关断。
GTO(以P型门极为例)是由PNPN四层半导体材料构成,其三个电极分别为阳极A、阴极K和门极G,图3-2是其结构及电路图形符号。
图3-2 GTO的结构、等效电路及图形符号
当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时,这时不管控制极的信号情况如何,晶闸管都不会导通。当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时,若在控制极与阴极之间没有电压或加反向电压,晶闸管还是不会导通。只有当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时,在控制极与阴极之间加正向电压,晶闸管才会导通。但晶闸管一旦导通,不管控制极有没有电压,只要阳极与阴极之间维持正向电压,则晶闸管就维持导通。
电特性,即当其阳极A、阴极K两端为正向电压,在门极G上加正的触发电压时, 晶闸管将导通,导通方向A→K。
当GTO处于导通状态,若在其门极G上加一个适当负电压,则能使导通的晶闸管关断(普通 晶闸管在靠门极正电压触发之后,撤掉触发电压也能维持导通,只有切断电源使正向电流低于维持电流或加上反向电压,才能使其关断)
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