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GTO的基本結構和基本工作原理是什么?詳細概述

GCME-SCD ? 來源:未知 ? 作者:易水寒 ? 2018-08-12 11:34 ? 次閱讀

GTO是一種電流控制型的自關斷雙極型器件。跟全控器件BJT一樣,當門極(對晶體管稱基極)引入正向電流時導通,引入反向電流時關斷,但不能像BJT那樣在門極信號撤除時也能自行關斷。這就是說,GTO跟晶閘管一樣,一旦導通即能在導通狀態下發生擎住效應,沒有門極電流仍然導通。所以GTO是一種必須靠門極電流的極性變化來改變通斷狀態的晶閘管。使GTO關斷的反向門極電流通常須達到陽極電流的1/5~1/3,因而關斷過程的控制遠不如BJT經濟和方便。但是,從單管的功率處理量來比較,BJT又遠不如GTO。GTO在大容量電力電子變換器的歷史中曾起到重要作用。

GTO的基本結構和基本工作原理是什么?詳細概述

圖1 典型的GTO結構圖

GTO的基本結構和基本工作原理與普通晶閘管大同小異,只是為了實現門極關斷和提高門極的控制能力而擴大了P區(與門極接觸)對N+發射區(與陰極接觸)的相對面積,并將N+區化整為零,分置于P區環繞之中。這些分離開的微小N+區,通過共用P區、N區和P+區,形成GTO管芯的全部晶閘管單元。每個單元晶閘管各有其獨立的陰極,通常用壓接方式將它們并聯于同一陰極壓塊上。GTO的陽極通常是一定形狀的金屬網格連接在一起。圖1給出了一個典型的GTO管芯的局部斷面示意圖。從工藝角度說GTO的制造要比晶閘管制造精細得多、復雜得多,但GTO擁有晶閘管一樣的簡化結構,如圖2所示。

GTO的基本結構和基本工作原理是什么?詳細概述

圖2 簡化的晶閘管結構以及外電路連接

GTO也是在部分先導通,然后擴展實現全面導通。略有不同的是,GTO的導通是同時在各個單元里發生的,在各個單元里同時從邊沿向中心擴展,而普通晶閘管作為一個完整的大單元來開通,擴展面積要大得多。

就每個單元而言,GTO的開通過程與晶閘管完全相同,也是靠門極注入正向電流來滿足導通條件:

GTO的關斷過程也是在各個單元里同時進行的,但其關斷方式及原理與晶閘管不同,它是靠反偏門極對P區中空穴的抽取來實現關斷的。對于晶閘管類型的器件來說,P區中的不平衡載流子是維持導通的必要條件。當不平衡載流子中的空穴隨著門極負電流流走時,J2結和J3結的正偏條件被削弱,N+區通過J3結向P區注入電子的注入效率相應下降,直至完全失去正偏條件,停止額外電子的注入。當然,這個過程也是在每個單元里從邊沿向中心逐漸推進的,電子和空穴濃度從外向里逐漸減少,J2結從外向里逐漸恢復阻斷作用。當電子和空穴減少到一定限度時,J3結的注入效應單元的難以維持整個導通狀態,于是J2結恢復其反偏狀態,GTO在每個單元都恢復了J2結的反向阻斷能力時即被關斷。

不能對普通晶閘管用同樣方式來控制關斷,原因在于兩者結構的不同。GTO采用化整為零且用P區包圍N+區的結構形式,可以看成對晶閘管結構做了改良。如前所述,關斷首先是破壞P區中的過剩電子和空穴,將空穴從門極引出。由于門極和陰極是在器件的同一側,門極電流基本上是由P區的橫向電阻決定的橫向電流,而P區很薄,厚度一般只有幾十μm,門-陰極距離較遠時,橫向電阻必然過大,所以普通晶閘管的門-陰極結構無法抽出足夠大的空穴電流。GTO的門-陰極結構極大地縮短了兩者的距離,因而能有效地抽取空穴。

作為IGCT的重要組成部分,門極換流晶閘管(GCT)可以看成是改良的GTO,其開通的基本工作原理跟晶閘管基本一致。而關斷可以看成將陰極電流完全換到門極的GTO,是需要外圍的輔助MOSFET配合來完成的,IGCT可以看成一種兩種器件在芯片外混合的復合型器件。

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原文標題:功率半導體應用知識講座(21) ——GTO的基本結構和基本工作原理

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