簡單認識柵極關斷晶閘管

雙極功率晶體管的電流放大倍數和通態特性會隨著電壓級別的增加而迅速降低，因此抑制了其在電壓高于2kV 牽引設備（如電力機車） 應用中的發展。在直流電路中，將晶閘管結構設計成利用柵極信號就可以控制開啟和關斷的需求推動了柵極關斷(Gate Turn-Off， GTO） 晶閘管的發展。GTO 晶閘管的關斷是通過施加一個大的反向電流來實現的。柵電流必須足夠大才能夠消除掉p 基區的存儲電荷，同時中止內部晶體管耦合行為以關斷電流。此類器件有個電流上限，稱為最大可關斷電流或最大可控制電流。當電流超過這一極限，欲施加更大的反向柵電流以關閉器件時，會引發p型基區與n?陰極導通而無法關閉電流。GTO 晶閘管的最大可關斷電流密度約為 1000A/cm2，最大關斷增益（器件電流與反向柵電流之比值）約為 5。

對稱 GTO 晶閘管的結構和電場分布如圖2-88 所示。盡管和傳統的晶閘管結構相似，但是GTO 結構不包含陰極短接。正向偏置時，由p型基區/n 基區結承受電壓降。晶體管 npn 基區開路的擊穿電壓決定了正向阻斷能力，這一點與傳統晶閘管一致。反向偏置時，電壓降主要集中在p?陽極-n基區結，這一結構有著幾乎相同的反向阻斷電壓。

因為 GTO 晶閘管是用在直流電路中的，所以它的反向阻斷能力不需要和它的正向阻斷能力一樣強。非對稱 GTO 晶閘管的結構和電場分布如圖2-89 所示。在臨近p?陽極區域的n基區內加入了一個n緩沖層，如圖2-89（a）所示。n緩沖層的摻雜濃度比n基區輕摻雜部分的摻雜濃度要高很多。非對稱 GTO 晶閘管的梯形電場分布如圖 2-89（b）所示。要獲得相同的正向阻斷電壓，非對稱結構 GTO 晶閘管的n基區凈厚度比對稱結構的 GTO 晶閘管所需要的n基區厚度小一些，這會使得通態壓降低。同時n緩沖層也降低了pnp 晶體管的電流放大倍數，這可以提高 GTO 晶閘管的關斷增益。n緩沖層常和陽極短接在一起用來縮短關斷時間。

GTO 晶閘管可以關斷直流功率電路中的電流，故在電力機車的電機驅動設備中已采用 GTO 晶閘管來控制驅動電流。這些新一代的電機驅動設備被廣泛應用在高速鐵路運輸系統中。