陰極短路技術

陰極短路技術或者陽極短路技術,都是為了改善晶閘管之類器件的工作性能而採取的一項技術措施。其根本作用就在於減小有關器件中所包含的某個雙極型電晶體BJT)的電流放大係數。這種技術在絕緣柵雙極型場效應電晶體IGBT)中也有著重要的套用。
(1)BJT的工作狀態和電流放大係數:

BJT由三個區域(發射區、基區和集電區)、兩個p-n結(發射結和集電結)組成。它的工作狀態完全決定於其兩個p-n結的偏置狀況。當發射結正偏、集電結反偏時,為放大狀態(輸出電流 輸入電流成正比,比例係數即為電流放大係數);兩個p-n結都反偏時,為截止狀態(高壓、小電流狀態);兩個p-n結都正偏時,為飽和狀態(低壓、大電流狀態)。
當BJT處於放大狀態時,發射結將注入載流子到基區,集電結則收集從基區擴散到達集電結邊緣的載流子、並輸出電流。良好的Si平面BJT,具有較大的電流放大係數;但在工作電流很小時,由於發射結勢壘區中複合電流的影響,其電流放大係數將變得很小;而在工作電流很大時,電流放大係數也將變小,這主要是由於所謂Kirk效應(基區展寬效應)影響的緣故。
可以想見,如果降低加在發射結上的正偏電壓,即可減小發射結的注入,降低工作電流,從而可以減小電流放大係數;進而,若把發射結短路(即把發射結上的電壓降為0),則由於反偏集電結具有從基區抽取載流子的作用,這也將會導致發射結上產生一定的浮空電勢,使得有少量的載流子注入,因此這時BJT仍然處於放大狀態,只不過其電流放大係數很小而已。

(2)陰極短路技術在SCR中的套用:

 在p-n-p-n轉折二極體的基礎上,加上一個控制柵極,就得到可控矽整流器(SCR)。對於p+-n--p-n+結構的SCR,可以等效為兩個BJT的組合,這兩個BJT共用兩個區域(基區和集電區),柵極可接在陰極一端BJT的基區(p區)上。當構成SCR的兩個BJT的電流放大係數(令為a1和a2)較大時,即可使SCR導通。實際上,當a1+a2=1時,總的陽極電流IA將變為∞,SCR即導通。
對於正偏的SCR,柵極電壓可以驅使SCR容易進入導通狀態。但是,一旦SCR導通以後,柵極就不再起作用了,即不能關斷陽極電流,這就是所謂“閂鎖效應”。
可以見到,增大陰極一端BJT的a2,將降低正向轉折電壓,有利於器件的導通;相反,若減小a2,則將提高正向阻斷電壓,不利於器件的導通。因此,在SCR中,就常常採用陰極短路技術來減小a2、以提高正向阻斷電壓。實際上,當a2減小到0時,正向阻斷電壓可以提高到接近於SCR的反向阻斷電壓。
陰極短路技術實際上也就是在SCR的晶片上,把n陰極區與p型基區通過金屬電極短接起來(但不是在器件外面連線陰極與柵極),由p基區的接觸電阻和體電阻而產生出一個分流電阻,這就達到了減小BJT的發射結注射效率、降低a2的目的。

(3)陽極短路技術在GTO中的套用:

SCR的柵極通常只有開通器件的功能,而不能關斷器件。而柵極可關斷的晶閘管(GTO)就是其柵極既具有開通、也具有關斷功能的一種SCR。
在器件導通狀態下,為了使柵極實現有效地關斷功能,自然要求柵極電流很小,則就應該一個BJT的電流放大係數很大(接近1)、而在陰極一端BJT的的電流放大係數很小,即a2>>a1,這也就是GTO的關斷條件。
在GTO中為了降低陽極一端BJT的電流放大係數,往往採用所謂“陽極短路”的技術(即把p+陽極區與n基區通過金屬電極直接短接,以減小載流子注入);但是,在此決不能採用“陰極短路”的技術,因為這裡要保證n-p-n/BJT2具有儘可能高的電流放大係數(設計)。

(4)陰極短路技術在DIAC器件中的套用:

雙向交流開關器件(DIAC)有多種形式,但它們在結構上往往與SCR類似,因此在許多場合也都採用了陰極短路技術。
① 五層雙向交流開關二極體:
五層雙向交流開關二極體可以看成是由兩個p-n-p-n轉折二極體反相併聯而構成的,所以,它在正偏和反偏時都具有雙穩態的負阻特性,即具有對稱的雙向開關特性。在此,對兩個p-n-p-n二極體都採用了“陰極短路”技術,以提高兩個方向上的正向阻斷電壓。
② 雙向交流開關三極體(TRIAC):
TRIAC的基本結構也就是在五層DIAC的基礎之上,添加一個柵極G而構成的;因此,TRIAC也具有與五層DIAC類似的雙向、雙穩態的對稱伏安特性。TRIAC的柵極的作用就是控制正向阻斷電壓的大小、以實現開關作用。為了提高正向阻斷電壓,在此也對其中的兩個p-n-p-n二極體均採用了“陰極短路”技術。

(5)陰極短路技術在IGBT中的套用:

對於IGBT,在Vgs>Vt、而且Ids很大時,器件中包含的n+-p-n-p+晶閘管將起作用。當其中的晶閘管導通以後,整個IGBT的導通電阻雖然很低;但是這時晶閘管也就進入到鎖定狀態(閂鎖效應),其柵極就失去了關斷源-漏電流的能力。而柵極的控制作用正是IGBT優越於SCR之處。所以,為了讓IGBT不容易進入閂鎖狀態,以提高其工作電流,可以適當地降低其中寄生n-p-n電晶體的電流放大係數,為此就可以採用陰極短路技術來達到目的。

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