GTO的基本結(jié)構(gòu)及基本工作原理是什么

GTO是一種電流控制型的自關(guān)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(dǎo)通，引入反向電流時關(guān)斷，但不能像BJT那樣在門極信號撤除時也能自行關(guān)斷。這就是說，GTO跟晶閘管一樣，一旦導(dǎo)通即能在導(dǎo)通狀態(tài)下發(fā)生擎住效應(yīng)，沒有門極電流仍然導(dǎo)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(tài)的晶閘管。使GTO關(guān)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(guān)斷過程的控制遠不如BJT經(jīng)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。

圖1  典型的GTO結(jié)構(gòu)圖

GTO的基本結(jié)構(gòu)和基本工作原理與普通晶閘管大同小異，只是為了實現(xiàn)門極關(guān)斷和提高門極的控制能力而擴大了P區(qū)（與門極接觸）對N+發(fā)射區(qū)（與陰極接觸）的相對面積，并將N+區(qū)化整為零，分置于P區(qū)環(huán)繞之中。這些分離開的微小N+區(qū)，通過共用P區(qū)、N區(qū)和P+區(qū)，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(lián)于同一陰極壓塊上。GTO的陽極通常是一定形狀的金屬網(wǎng)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(fù)雜得多，但GTO擁有晶閘管一樣的簡化結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2  簡化的晶閘管結(jié)構(gòu)以及外電路連接

GTO也是在部分先導(dǎo)通，然后擴展實現(xiàn)全面導(dǎo)通。略有不同的是，GTO的導(dǎo)通是同時在各個單元里發(fā)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(dǎo)通條件：

GTO的關(guān)斷過程也是在各個單元里同時進行的，但其關(guān)斷方式及原理與晶閘管不同，它是靠反偏門極對P區(qū)中空穴的抽取來實現(xiàn)關(guān)斷的。對于晶閘管類型的器件來說，P區(qū)中的不平衡載流子是維持導(dǎo)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(jié)和J3結(jié)的正偏條件被削弱，N+區(qū)通過J3結(jié)向P區(qū)注入電子的注入效率相應(yīng)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(jié)從外向里逐漸恢復(fù)阻斷作用。當電子和空穴減少到一定限度時，J3結(jié)的注入效應(yīng)單元的難以維持整個導(dǎo)通狀態(tài)，于是J2結(jié)恢復(fù)其反偏狀態(tài)，GTO在每個單元都恢復(fù)了J2結(jié)的反向阻斷能力時即被關(guān)斷。

不能對普通晶閘管用同樣方式來控制關(guān)斷，原因在于兩者結(jié)構(gòu)的不同。GTO采用化整為零且用P區(qū)包圍N+區(qū)的結(jié)構(gòu)形式，可以看成對晶閘管結(jié)構(gòu)做了改良。如前所述，關(guān)斷首先是破壞P區(qū)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(cè)，門極電流基本上是由P區(qū)的橫向電阻決定的橫向電流，而P區(qū)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(jié)構(gòu)無法抽出足夠大的空穴電流。GTO的門-陰極結(jié)構(gòu)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(guān)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(fù)合型器件。

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