摘要：分析研究了晶閘管門極控制開通時間的雙晶體管模型、穿通模型，在此基礎上提出了溝通模型，完整給出了晶閘管門極控制開通時間 t g t的公式。溝通模型和 t g t公式，為晶閘管的實踐所驗證，進而說明了這個模型理論的深遠意義。
晶閘管到底是如何開通的?開通模型不同， 結論是完全不一樣的， 其正確與否， 必須要經得起實踐的檢驗。國際上仍在 廣泛流行 的是雙三 極晶體管 模型[1][2][3]。但這種模型早已受到質疑和挑戰。后來的穿通模型[4][5]，雖然做了重大創新改進，然而還是不能自圓其說。研究探索工作必然要進行下去。研究門極控制晶閘管的模型及其門極控制開通時間，對晶閘管、快速晶閘管、高頻晶閘管以及其它高頻應用的各種新型功率半導體器件的研究開發和性能提高，都是至關重要的。我們的研究工作就從門極控制開通時間的定義開始， 進而探索新的門極控制晶閘管開通模型和門極控制開通時間的正確公式。
二、門極控制開通機理的模型分析
門極控制開通晶閘管的關鍵在于如何使處于反偏狀態下的 j2結翻轉。翻轉的模型不同，其得出的 tgt公式也就不同。
2.1、雙三極晶體管模型[1][2][3]
雙三極晶體管模型是各種書籍普遍采用的晶閘管開通模型，以下參見圖 1給出這個模型的簡述。當 VAK施加于晶閘管，j2結承擔全部電壓，并形成空間電荷區。當流過 Ig電流時，它使 j3結正偏壓增加，
從而引起 N2區向 P2區注入電子，其中一部分電子渡越有效短基區 We(P2)進入空間電荷區，被空間電荷區的強電場掃到長基區即 N1區堆積起來，使該區電位下降，進而引起 j1結正偏壓增大，即引起 P1區向 N1區注入空穴， 其中一部分空穴渡越有效長基區，并被空間電荷區的強電場掃到短基區即 P2區堆積起來，進而使 j3結正偏壓更高，使 N2區向 P2區注入電子更多…如此往復的正反饋過程，使 N1區有大量電子積累，P2區有大量空穴積累， 這個積累起來的電場方向是由 P2區指向 N1區，剛好起抵消原空間電荷區自建場的作用。這種逐漸積累起來的電荷數 Q0如果和原 j2結空間電荷數 QK相等，即認為相互中和完畢，Vj2=0。進一步積累 Q0 >QK，晶閘管器件的 j2結開始翻轉，器件導通。
以上就是描述晶閘管的門極控制開通的著名的雙三極晶閘管模型。 這個模型的優點就是非常令人信服的說明了晶閘管門極控制開通的全過程。然而，由于以下兩方面的質疑，它的正確性被動搖了。
第一， 按照雙三極晶體管模型得出的延遲時間公式給出的結果比實際大太多了。由這種模型推出的延遲時間公式， 至少也應為電子渡越有效短基區的時間和空穴渡越有效長基區的時間之和，即[3]：
其二，按照這種雙三極晶體管模型，晶閘管由斷到開應是一個逐漸的、連續的過程。然而，實際測得的各種晶閘管的伏安特性曲線卻都是突變的。 這一點更不能自圓其說。
2.2、穿通模型[4][5]
最早對雙三極晶體管模型質疑的是國際著名功率半導體專家 S.K.Ghandhi。他在 1977 年的著作[4]中就提出了穿通模型，解釋了開通伏安特性曲線的突變轉折問題。 十年后， 國際另一位著名功率半導體專家 P.D.Taylor也在其著作[5]中對這一模型進行了詳細描述。以下是穿通模型對門極控制晶閘管開通過程的說明。
參見圖 3, 穿通模型簡述如下:當 Vg加上，有 Ig流過 P2區，引起 j3結電子注入，進而引起了 j1結的空穴注入，但是由于 α2 >α1 ，所以流過器件的主要是電子流， 這個電子流流經空間電荷區時， 其一部分或者是復合使空間電荷區正電荷減少，或者是積累使負電荷增多，結果使空間電荷區在 N1區擴展， P1區收縮， 由于擴展大于收縮， 所以總效果是擴展，這個擴展過程一直展滿 N1區，達到穿通，器件被開通。穿通模型的重大意義在于正確描述了電子經過空間電荷區的能動作用， 很好地解釋了晶閘管開通伏安特性曲線的突變部分， 也免去了長基區渡越時間 t2過長這一令人無法解釋的困難問題。當著我們進一步運用穿通模型時， 發現該模型還是不完備的。
第一， 按照這種模型， α1是逐漸增大， 一直到 α1=1達到穿通。事實上，當 α1逐步增大到 α1>α2時，這個在 N1區展寬的過程不僅要中止，而且要倒向。所以說達到穿通是沒有可能的。退一步說，是否會發生雪崩呢?顯然由于外加電壓比其雪崩電壓低得多，故說雪崩也是不成立的。
2.3、溝通模型
溝通模型是在雙三極晶體管模型、穿通模型的基礎上，經過反復研究于 1984年由王玉良第一次提出，故晶閘管溝通模型也叫王玉良晶閘管溝通模型[ 6 ] 。溝通模型(參看圖 4)完整敘述如下：
1，對于處于正向斷態的晶閘管，加門極觸發電流 Ig，從而使靠近門極的 N21圓環首先得到正偏，引起這部分 N2區的電子注入。
2，由于 P2區存在濃度梯度，所以此部分電子經有效短基區，注入到空間電荷區，被強場掃至 N1區。
3，當這部分電子流過空間電荷區時，將造成該處空間電荷區在 P2區收縮， 在 N1區擴展， 由于電導率 σ2>>σ1，所以主要是 N1區擴展。 有效長基區為 We'= Wn- (Xm+△ Xm) 。
4，進入有效長基區的電子造成 j1結正偏壓升高，從而P1區向 N1區注入空穴，這樣有效長基區內就同時存在兩種載流子的相對運動， 雖然它們的運動方向不同，但對電流的貢獻是一致的。
5，當兩種載流子在有效長基區內相遇時，即所謂“溝通”了，即電流形成了，因而 α 起作用了。顧名思義，有電流了，才能談電流放大系數。α 值的產生是陽極電流上升的基本因素。 非平衡載流子的銜接或叫溝通就使得我們可以運用 α 來說明開通的過程。
6，當不斷增加的 Ig促成 α2不斷上升，進一步導致 α1同步上升，當達到 α1+α21→ 時, 局部導通，進而在強電場下全域開通。不言而喻，溝通模型是在穿通模型、雙晶體管模型的基礎上形成的。它是前兩個模型的有機結合和擴展。利用穿通模型解決了延遲時間， 把晶閘管如何開通第一次正確解釋通了。保留雙三極晶體管模型的合理部分，使 Bergman 上升時間公式[8]活起來并得以正確應用。
按著當時，即 1984 年在電氣試驗所的測試結果，生產的該晶閘管器件的實測數據為 tgt=(4~8) μs 之間。這里所以用了 VAK=250V，是 1984年時，還在用老晶閘管標準， 其測試 tgt時， 就是 VAK=250V 的測試條件。例 3、宜 昌晶 石 公司 生產 的小 功 率高 頻晶 閘管3CTK123。 按雙晶體管模型計算的 tgt≥10 μs。按溝通模型，當觸發電流在 Igt=30 mA 時， ，計算的 tgt= 1.8μs，而在 Igt=300mA 時，計算 tgt= td + tr= 0.85μs，實測結果為：td ≤1μs(中心值在 0.8μs) ， tr≤0 . 1 μs (中心值在 0.08μs) ， tgt≤1μs (中心值在 0.9μs) 。說明溝通模型給出的計算結果和實際很一致。幾十年來，我們從最小的 3CTK123、3CT103、KP20A 到 KK2500A/2500V、 K2000A/1200V 等各種晶閘管， 都取得了門極控制開通時間理論計算和實驗測試結果的一致。 這一結論也被一些同行專家的實驗數據所證實。
按著當時，即 1984 年在電氣試驗所的測試結果，生產的該晶閘管器件的實測數據為 tgt=(4~8) μs 之間。這里所以用了 VAK=250V，是 1984年時，還在用老晶閘管標準， 其測試 tgt時， 就是 VAK=250V 的測試條件。例 3、宜 昌晶 石 公司 生產 的小 功 率高 頻晶 閘管3CTK123。 按雙晶體管模型計算的 tgt≥10 μs。按溝通模型，當觸發電流在 Igt=30 mA 時， ，計算的 tgt= 1.8μs，而在 Igt=300mA 時，計算 tgt= td + tr= 0.85μs，實測結果為：td ≤1μs(中心值在 0.8μs) ， tr≤0 . 1 μs (中心值在 0.08μs) ， tgt≤1μs (中心值在 0.9μs) 。說明溝通模型給出的計算結果和實際很一致。幾十年來，我們從最小的 3CTK123、3CT103、KP20A 到 KK2500A/2500V、 K2000A/1200V 等各種晶閘管， 都取得了門極控制開通時間理論計算和實驗測試結果的一致。 這一結論也被一些同行專家的實驗數據所證實。
五、結語
溝通模型及其公式不僅正確地說明了門極控制晶閘管的開通過程， 而且給出了縮短門極控制開通時間 tgt的主要途徑如下：
1)減少渡越時間 t1、t2，即減薄基區(實質是減少充電量) ，由于受阻斷電壓的限制，其調整幅度很小;
2)增大電流放大系數，使之處于深飽和(實質是加強 PN 結間相互作用，減少復合量)狀態;
3)增大初始門極注入電流，采用強觸發，加大 N1區的初始擴展，從而大大縮短渡越 N1區的時間。前兩者受許多關鍵參數的約束，一旦設計確定后，一般是不好改變的。 只有第三條才是能動靈活的縮短開通時間的主要途徑。
顯然，門極控制開通時間 tgt直接關系開通損耗功率 PON(和開通時間成正比) ，特別是 di/dt 耐量(和開通時間成反比) 的大小，無論就提高半導體器件應用頻率(如 50KHZ 各種類晶閘管) 、品種(如脈沖晶閘管)和可靠性，都有重大影響。溝通模型及其公式對其它功率半導體器件的開通研究具有指導意義。如對整流二極管的開通時間， 目前還沒有計算公式， 往往都回避這一敏感問題。我們運用溝通模型原理， 可以給出二極管開通時間的定量估算公式(將另文說明)為：tfr=W2/16DP · · · · · · · · · · · · (23)公式(23)也已被實踐所證實。
參考文獻：
[1]北京市技術交流站：大功率可控硅整流元件--原理
與設計[ M] 人民教育出版社 1975
[2]Muhammad H. Rashid：Power Electronics Handbook
Copyright © 2001 by Elsevier Science ( USA )[ K ]
(Translation Copyright 2004 by China Machine Press.
國外電氣工程名著譯叢： 電力電子技術手冊 機械工業
出版社 P24)
[3]錢照明等主編： 中國電氣工程大典[ K ] ： 電力電子技
術第 2卷 中國電力出版社 2009.6 29
[4]S. K.Ghandhi著： 功率半導體器件—工作原理和制
造工藝[ M] 張光華譯 機械工業出版社 1982 168
[5]P.D.TAYLOR著：晶閘管的設計與制造[ M] 龐銀鎖
譯 顧廉楚審校 中國鐵道出版社 1992 60
[6]王玉良：晶閘管門極開通時間的研究[ D] 沈陽工
業大學 1984級畢業設計論文
[7]G .D.Bergman:The Gate Triggered Turn-On Process in
Thyristor[ J] Solid-State Electronics 8，1965 757
作者 1：潘福泉，宜昌市晶石電力電子有限公司總工
程師，高級工程師，1941年生。研究方向：功率半導
體器件。13997712236，panfuquan232@sina.com
