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阴极短路技术

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  阴极短路技术或者阳极短路技术,都是为了改善晶闸管之类器件的工作性能而采取的一项技术措施。其根本作用就在于减小有关器件中所包含的某个双极型晶体管(BJT)的电流放大系数。这种技术在绝缘栅双极型场效应晶体管(IGBT)中以及垂直双扩散场效应晶体管(VDMOS)也有着重要的应用。

  BJT由三个区域(发射区、基区和集电区)、两个p-n结(发射结和集电结)组成。它的工作状态完全决定于其两个p-n结的偏置状况。当发射结正偏、集电结反偏时,为放大状态(输出电流 输入电流成正比,比例系数即为电流放大系数);两个p-n结都反偏时,为截止状态(高压、小电流状态);两个p-n结都正偏时,为饱和状态(低压、大电流状态)。

  当BJT处于放大状态时,发射结将注入载流子到基区,集电结则收集从基区扩散到达集电结边缘的载流子、并输出电流。良好的Si平面BJT,具有较大的电流放大系数;但在工作电流很小时,由于发射结势垒区中复合电流的影响,其电流放大系数将变得很小;而在工作电流很大时,电流放大系数也将变小,这主要是由于所谓Kirk效应(基区展宽效应)影响的缘故。

  可以想见,如果降低加在发射结上的正偏电压,即可减小发射结的注入,降低工作电流,从而可以减小电流放大系数;进而,若把发射结短路(即把发射结上的电压降为0),则由于反偏集电结具有从基区抽取载流子的作用,这也将会导致发射结上产生一定的浮空电势,使得有少量的载流子注入,因此这时BJT仍然处于放大状态,只不过其电流放大系数很小而已。

  在p-n-p-n转折二极管的基础上,加上一个控制栅极,就得到可控硅整流器(SCR)。对于p+-n--p-n+结构的SCR,可以等效为两个BJT的组合,这两个BJT共用两个区域(基区和集电区),栅极可接在阴极一端BJT的基区(p区)上。当构成SCR的两个BJT的电流放大系数(令为a1和a2)较大时,即可使SCR导通。实际上,当a1+a2=1时,总的阳极电流IA将变为∞,SCR即导通。

  对于正偏的SCR,栅极电压可以驱使SCR容易进入导通状态。但是,一旦SCR导通以后,栅极就不再起作用了,即不能关断阳极电流,这就是所谓“

  可以见到,增大阴极一端BJT的a2,将降低正向转折电压,有利于器件的导通;相反,若减小a2,则将提高正向阻断电压,不利于器件的导通。因此,在SCR中,就常常采用阴极短路技术来减小a2、以提高正向阻断电压。实际上,当a2减小到0时,正向阻断电压可以提高到接近于SCR的反向阻断电压。

  阴极短路技术实际上也就是在SCR的芯片上,把n阴极区与p型基区通过金属电极短接起来(但不是在器件外面连接阴极与栅极),由p基区的接触电阻和体电阻而产生出一个分流电阻,这就达到了减小BJT的发射结注射效率、降低a2的目的。

  这种技术应用在VDMOS中是通过短接P-body区和N+source来实现的,目的是为了减小寄生三极管效应。应用在IGBT中是通过短接P-ring和N+emitter来实现的,被称为

  SCR的栅极通常只有开通器件的功能,而不能关断器件。而栅极可关断的晶闸管(GTO)就是其栅极既具有开通、也具有关断功能的一种SCR。

  在器件导通状态下,为了使栅极实现有效地关断功能,自然要求栅极电流很小,则就应该一个BJT的电流放大系数很大(接近1)、而在阴极一端BJT的的电流放大系数很小,即a2a1,这也就是GTO的关断条件。

  ”的技术(即把p+阳极区与n基区通过金属电极直接短接,以减小载流子注入);但是,在此决不能采用“阴极短路”的技术,因为这里要保证n-p-n/BJT2具有尽可能高的电流放大系数(设计)。

  双向交流开关器件(DIAC)有多种形式,但它们在结构上往往与SCR类似,因此在许多场合也都采用了阴极短路技术。

  五层双向交流开关二极管可以看成是由两个p-n-p-n转折二极管反相并联而构成的,所以,它在正偏和反偏时都具有双稳态的负阻特性,即具有对称的双向开关特性。在此,对两个p-n-p-n二极管都采用了“阴极短路”技术,以提高两个方向上的正向阻断电压。

  TRIAC的基本结构也就是在五层DIAC的基础之上,添加一个栅极G而构成的;因此,TRIAC也具有与五层DIAC类似的双向、双稳态的对称伏安特性。TRIAC的栅极的作用就是控制正向阻断电压的大小、以实现开关作用。为了提高正向阻断电压,在此也对其中的两个p-n-p-n二极管均采用了“阴极短路”技术。

  对于IGBT,在VgsVt、而且Ids很大时,器件中包含的n+-p-n-p+晶闸管将起作用。当其中的晶闸管导通以后,整个IGBT的导通电阻虽然很低;但是这时晶闸管也就进入到锁定状态(闩锁效应),其栅极就失去了关断源-漏电流的能力。而栅极的控制作用正是IGBT优越于SCR之处。所以,为了让IGBT不容易进入闩锁状态,以提高其工作电流,可以适当地降低其中寄生n-p-n晶体管的电流放大系数,为此就可以采用阴极短路技术来达到目的。