摘要：分析研究了晶闸管门极控制开通时间的双晶体管模型、穿通模型，在此基础上提出了沟通模型，完整给出了晶闸管门极控制开通时间 t g t的公式。沟通模型和 t g t公式，为晶闸管的实践所验证，进而说明了这个模型理论的深远意义。
晶闸管到底是如何开通的?开通模型不同， 结论是完全不一样的， 其正确与否， 必须要经得起实践的检验。国际上仍在 广泛流行 的是双三 极晶体管 模型[1][2][3]。但这种模型早已受到质疑和挑战。后来的穿通模型[4][5]，虽然做了重大创新改进，然而还是不能自圆其说。研究探索工作必然要进行下去。研究门极控制晶闸管的模型及其门极控制开通时间，对晶闸管、快速晶闸管、高频晶闸管以及其它高频应用的各种新型功率半导体器件的研究开发和性能提高，都是至关重要的。我们的研究工作就从门极控制开通时间的定义开始， 进而探索新的门极控制晶闸管开通模型和门极控制开通时间的正确公式。
二、门极控制开通机理的模型分析
门极控制开通晶闸管的关键在于如何使处于反偏状态下的 j2结翻转。翻转的模型不同，其得出的 tgt公式也就不同。
2.1、双三极晶体管模型[1][2][3]
双三极晶体管模型是各种书籍普遍采用的晶闸管开通模型，以下参见图 1给出这个模型的简述。当 VAK施加于晶闸管，j2结承担全部电压，并形成空间电荷区。当流过 Ig电流时，它使 j3结正偏压增加，
从而引起 N2区向 P2区注入电子，其中一部分电子渡越有效短基区 We(P2)进入空间电荷区，被空间电荷区的强电场扫到长基区即 N1区堆积起来，使该区电位下降，进而引起 j1结正偏压增大，即引起 P1区向 N1区注入空穴， 其中一部分空穴渡越有效长基区，并被空间电荷区的强电场扫到短基区即 P2区堆积起来，进而使 j3结正偏压更高，使 N2区向 P2区注入电子更多…如此往复的正反馈过程，使 N1区有大量电子积累，P2区有大量空穴积累， 这个积累起来的电场方向是由 P2区指向 N1区，刚好起抵消原空间电荷区自建场的作用。这种逐渐积累起来的电荷数 Q0如果和原 j2结空间电荷数 QK相等，即认为相互中和完毕，Vj2=0。进一步积累 Q0 >QK，晶闸管器件的 j2结开始翻转，器件导通。
以上就是描述晶闸管的门极控制开通的著名的双三极晶闸管模型。 这个模型的优点就是非常令人信服的说明了晶闸管门极控制开通的全过程。然而，由于以下两方面的质疑，它的正确性被动摇了。
第一， 按照双三极晶体管模型得出的延迟时间公式给出的结果比实际大太多了。由这种模型推出的延迟时间公式， 至少也应为电子渡越有效短基区的时间和空穴渡越有效长基区的时间之和，即[3]：
其二，按照这种双三极晶体管模型，晶闸管由断到开应是一个逐渐的、连续的过程。然而，实际测得的各种晶闸管的伏安特性曲线却都是突变的。 这一点更不能自圆其说。
2.2、穿通模型[4][5]
最早对双三极晶体管模型质疑的是国际著名功率半导体专家 S.K.Ghandhi。他在 1977 年的著作[4]中就提出了穿通模型，解释了开通伏安特性曲线的突变转折问题。 十年后， 国际另一位著名功率半导体专家 P.D.Taylor也在其著作[5]中对这一模型进行了详细描述。以下是穿通模型对门极控制晶闸管开通过程的说明。
参见图 3, 穿通模型简述如下:当 Vg加上，有 Ig流过 P2区，引起 j3结电子注入，进而引起了 j1结的空穴注入，但是由于 α2 >α1 ，所以流过器件的主要是电子流， 这个电子流流经空间电荷区时， 其一部分或者是复合使空间电荷区正电荷减少，或者是积累使负电荷增多，结果使空间电荷区在 N1区扩展， P1区收缩， 由于扩展大于收缩， 所以总效果是扩展，这个扩展过程一直展满 N1区，达到穿通，器件被开通。穿通模型的重大意义在于正确描述了电子经过空间电荷区的能动作用， 很好地解释了晶闸管开通伏安特性曲线的突变部分， 也免去了长基区渡越时间 t2过长这一令人无法解释的困难问题。当着我们进一步运用穿通模型时， 发现该模型还是不完备的。
第一， 按照这种模型， α1是逐渐增大， 一直到 α1=1达到穿通。事实上，当 α1逐步增大到 α1>α2时，这个在 N1区展宽的过程不仅要中止，而且要倒向。所以说达到穿通是没有可能的。退一步说，是否会发生雪崩呢?显然由于外加电压比其雪崩电压低得多，故说雪崩也是不成立的。
2.3、沟通模型
沟通模型是在双三极晶体管模型、穿通模型的基础上，经过反复研究于 1984年由王玉良第一次提出，故晶闸管沟通模型也叫王玉良晶闸管沟通模型[ 6 ] 。沟通模型(参看图 4)完整叙述如下：
1，对于处于正向断态的晶闸管，加门极触发电流 Ig，从而使靠近门极的 N21圆环首先得到正偏，引起这部分 N2区的电子注入。
2，由于 P2区存在浓度梯度，所以此部分电子经有效短基区，注入到空间电荷区，被强场扫至 N1区。
3，当这部分电子流过空间电荷区时，将造成该处空间电荷区在 P2区收缩， 在 N1区扩展， 由于电导率 σ2>>σ1，所以主要是 N1区扩展。 有效长基区为 We'= Wn- (Xm+△ Xm) 。
4，进入有效长基区的电子造成 j1结正偏压升高，从而P1区向 N1区注入空穴，这样有效长基区内就同时存在两种载流子的相对运动， 虽然它们的运动方向不同，但对电流的贡献是一致的。
5，当两种载流子在有效长基区内相遇时，即所谓“沟通”了，即电流形成了，因而 α 起作用了。顾名思义，有电流了，才能谈电流放大系数。α 值的产生是阳极电流上升的基本因素。 非平衡载流子的衔接或叫沟通就使得我们可以运用 α 来说明开通的过程。
6，当不断增加的 Ig促成 α2不断上升，进一步导致 α1同步上升，当达到 α1+α21→ 时, 局部导通，进而在强电场下全域开通。不言而喻，沟通模型是在穿通模型、双晶体管模型的基础上形成的。它是前两个模型的有机结合和扩展。利用穿通模型解决了延迟时间， 把晶闸管如何开通第一次正确解释通了。保留双三极晶体管模型的合理部分，使 Bergman 上升时间公式[8]活起来并得以正确应用。
按着当时，即 1984 年在电气试验所的测试结果，生产的该晶闸管器件的实测数据为 tgt=(4~8) μs 之间。这里所以用了 VAK=250V，是 1984年时，还在用老晶闸管标准， 其测试 tgt时， 就是 VAK=250V 的测试条件。例 3、宜 昌晶 石 公司 生产 的小 功 率高 频晶 闸管3CTK123。 按双晶体管模型计算的 tgt≥10 μs。按沟通模型，当触发电流在 Igt=30 mA 时， ，计算的 tgt= 1.8μs，而在 Igt=300mA 时，计算 tgt= td + tr= 0.85μs，实测结果为：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) 。说明沟通模型给出的计算结果和实际很一致。几十年来，我们从最小的 3CTK123、3CT103、KP20A 到 KK2500A/2500V、 K2000A/1200V 等各种晶闸管， 都取得了门极控制开通时间理论计算和实验测试结果的一致。 这一结论也被一些同行专家的实验数据所证实。
按着当时，即 1984 年在电气试验所的测试结果，生产的该晶闸管器件的实测数据为 tgt=(4~8) μs 之间。这里所以用了 VAK=250V，是 1984年时，还在用老晶闸管标准， 其测试 tgt时， 就是 VAK=250V 的测试条件。例 3、宜 昌晶 石 公司 生产 的小 功 率高 频晶 闸管3CTK123。 按双晶体管模型计算的 tgt≥10 μs。按沟通模型，当触发电流在 Igt=30 mA 时， ，计算的 tgt= 1.8μs，而在 Igt=300mA 时，计算 tgt= td + tr= 0.85μs，实测结果为：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) 。说明沟通模型给出的计算结果和实际很一致。几十年来，我们从最小的 3CTK123、3CT103、KP20A 到 KK2500A/2500V、 K2000A/1200V 等各种晶闸管， 都取得了门极控制开通时间理论计算和实验测试结果的一致。 这一结论也被一些同行专家的实验数据所证实。
五、结语
沟通模型及其公式不仅正确地说明了门极控制晶闸管的开通过程， 而且给出了缩短门极控制开通时间 tgt的主要途径如下：
1)减少渡越时间 t1、t2，即减薄基区(实质是减少充电量) ，由于受阻断电压的限制，其调整幅度很小;
2)增大电流放大系数，使之处于深饱和(实质是加强 PN 结间相互作用，减少复合量)状态;
3)增大初始门极注入电流，采用强触发，加大 N1区的初始扩展，从而大大缩短渡越 N1区的时间。前两者受许多关键参数的约束，一旦设计确定后，一般是不好改变的。 只有第三条才是能动灵活的缩短开通时间的主要途径。
显然，门极控制开通时间 tgt直接关系开通损耗功率 PON(和开通时间成正比) ，特别是 di/dt 耐量(和开通时间成反比) 的大小，无论就提高半导体器件应用频率(如 50KHZ 各种类晶闸管) 、品种(如脉冲晶闸管)和可靠性，都有重大影响。沟通模型及其公式对其它功率半导体器件的开通研究具有指导意义。如对整流二极管的开通时间， 目前还没有计算公式， 往往都回避这一敏感问题。我们运用沟通模型原理， 可以给出二极管开通时间的定量估算公式(将另文说明)为：tfr=W2/16DP · · · · · · · · · · · · (23)公式(23)也已被实践所证实。
参考文献：
[1]北京市技术交流站：大功率可控硅整流元件--原理
与设计[ 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.
国外电气工程名著译丛： 电力电子技术手册 机械工业
出版社 P24)
[3]钱照明等主编： 中国电气工程大典[ K ] ： 电力电子技
术第 2卷 中国电力出版社 2009.6 29
[4]S. K.Ghandhi著： 功率半导体器件—工作原理和制
造工艺[ M] 张光华译 机械工业出版社 1982 168
[5]P.D.TAYLOR著：晶闸管的设计与制造[ M] 庞银锁
译 顾廉楚审校 中国铁道出版社 1992 60
[6]王玉良：晶闸管门极开通时间的研究[ D] 沈阳工
业大学 1984级毕业设计论文
[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，宜昌市晶石电力电子有限公司总工
程师，高级工程师，1941年生。研究方向：功率半导
体器件。13997712236，panfuquan232@sina.com
