GTO的基本結構和基本工作原理是什麼?詳細概述

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GTO的基本結構和基本工作原理是什麼？詳細概述

易水寒 發表於 2018-08-12 11:34:05

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（對電晶體稱基極）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。

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，並將N+區化整為零，分置於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並聯於同一陰極壓塊上。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的製造要比晶閘管制造精細得多、複雜得多，但GTO擁有晶閘管一樣的簡化結構，如圖2所示。

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，然後擴展實現全面導通。略有不同的是，GTO的導通是同時在各個單元裡發生的，在各個單元裡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裡同時進行的，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。對於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裡從邊沿向中心逐漸推進的，電子和空穴濃度從外向裡逐漸減少，J2結從外向裡逐漸恢復阻斷作用。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，於是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，原因在於兩者結構的不同。GTO採用化整為零且用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。由於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晶片外混合的複合型器件。

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