雙極結(jié)型晶體管的工作原理

我們知道二極管、三級(jí)管是一種常用的半導(dǎo)體材料的元器件，其實(shí)半導(dǎo)體材料的器件還有很多，今天我們就來講講其中的一種：晶閘管。

晶閘管的應(yīng)用場景非常廣泛，在發(fā)電站就是其中一個(gè)場景。在高壓直流輸電中，必須借助轉(zhuǎn)換站將大量的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。之后，直流電被傳輸?shù)接脩簟?/p>

這項(xiàng)重要的轉(zhuǎn)換任務(wù)由稱為“晶閘管”的獨(dú)特半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備執(zhí)行，更具體地說，由硅控整流器執(zhí)行。學(xué)習(xí)晶閘管之前，可以先看下我分享過的一篇文章：。

1、晶閘管介紹

晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；

如下圖，不同的半導(dǎo)體開關(guān)器件，例如二極管和晶體管。同樣和這些器件一樣，晶閘管也是一種開關(guān)器件。所有這些開關(guān)裝置均由眾所周知的硅半導(dǎo)體材料制成，晶閘管由N和P區(qū)域的4個(gè)交替層組成。

要了解為什么使用晶閘管，讓我們看一下普通晶體管BJT）的工作原理。

2、BJT工作原理

BJT：BipolarJunctionTransistor雙極結(jié)型晶體管。

如下圖，當(dāng)連接主電源時(shí)，我們會(huì)觀察到晶體管的一個(gè)結(jié)點(diǎn)總是反向偏置。

要接通晶體管，我們只需在發(fā)射極和基極端子之間連接一個(gè)次級(jí)電壓源，就可以導(dǎo)通晶體管了。如下圖：

如果我們移除次級(jí)電源，則晶體管將關(guān)閉，因?yàn)樗枰B續(xù)的次級(jí)電源。

但是，在大功率應(yīng)用期間（比如發(fā)電站），需要連續(xù)的基本電流供應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致巨大的功率損耗。

為了克服這個(gè)問題，1950年，WilliamShockley提出了一種非常有趣的電源開關(guān)，稱為晶閘管。

在晶閘管中，與晶體管不同，不需要這種連續(xù)的次級(jí)電源。觸發(fā)后，即使你移除次級(jí)電源，晶閘管仍將繼續(xù)工作（如下圖）。

3、晶閘管工作原理

有了晶體管的基礎(chǔ)知識(shí)，我們就可以了解晶閘管的工作原理。

如果硅結(jié)構(gòu)晶片摻雜有四種交替形式的P和N型，則會(huì)產(chǎn)生晶閘管。在此，耗盡區(qū)的形成也發(fā)生在結(jié)處。無論采用哪種方式在晶閘管中施加電壓，總會(huì)有至少一個(gè)反向偏置結(jié)，如下圖：

門極觸發(fā)

在晶閘管中，一種有效且流行的方法稱為“門極觸發(fā)”。我們將次級(jí)電源連接到柵極和陰極端子。該次級(jí)電源將大量電子注入P區(qū)域。隨著該過程的繼續(xù)，P區(qū)變得充滿電子，如下圖：

現(xiàn)在，電子已成為該區(qū)域的多數(shù)電荷載流子。簡而言之，P區(qū)域最終成為N區(qū)域，這個(gè)新的N區(qū)域?qū)?dǎo)致耗盡區(qū)域自動(dòng)減小。由于P區(qū)域已成為新的N區(qū)域，由于柵極觸發(fā)，底側(cè)的三個(gè)區(qū)域共同成為一個(gè)大N區(qū)域?，F(xiàn)在，晶閘管的結(jié)構(gòu)看起來像一個(gè)PN結(jié)二極管。

4、如何關(guān)閉晶閘管？

關(guān)閉晶閘管的方法是在晶閘管兩端施加反向電壓，如下圖：

實(shí)現(xiàn)此目的的最有效方法是使用LC振蕩器。在LC振蕩器中，能量交換發(fā)生在電容器和電感器之間。

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