中心論題：

• 分析晶閘管的保護特性
• 提出TSPD并分析其特性

解決方案：

• 使用TSPD可解決簡單晶閘管不對稱保護特性的缺陷
• TSPD有雙向和單向之分

晶閘管的過壓保護設備是基于一對雙極性晶體管，這一對雙極性晶體管是由四層不同摻雜的N，P極組成，如圖1所示。N型摻雜的N1，P型摻雜的P1，和N型摻雜的N2分別構成NPN晶體管的發(fā)射極，基極和收集極，而P型摻雜的P2，N型摻雜的N2，和P型摻雜的P1分別構成了PNP晶體管的發(fā)射極，基極，和收集極。這樣一來一個晶體管的收集極是另外一個晶體管的基極。按這種方法那么一個晶體管的發(fā)射極到收集極流過的電流就是流向另一個晶體管的基極的電流。如果加一個從陽極到陰極的正電壓，那兩個三極管的發(fā)射極與基極之間，即J1和J3，都是正向電壓偏置。只有J2處PN結形成反向電壓偏置時才能阻礙電流流動。如果從陽極到陰極的電壓增加到大于J2處PN結的擊穿電壓，電流就開始直接流向兩個雙極性晶體管的基極。這使得兩個三極管都導通，會導致含有兩個三極管的晶閘管的電阻下降，并且晶閘管兩端的電壓也會減小。如圖2所示我們可以看到晶閘管的從陽極到陰極的正電流存在時的電壓-電流曲線。有著這樣的電壓-電流曲線特性的保護器件一定會有非常優(yōu)秀的保護特性。當保護器件在觸發(fā)后，工作電壓下降時保護器件可以承受大的電流并且自身功耗很小。事實上，具有這種電壓-電流曲線特性的保護器件通常被稱為“消弧”保護器件，因為這就好比是通過把一個“金屬消弧”放置在需要保護的端口來實現(xiàn)保護作用的。值得注意的是只有當電流或者電壓降到閾值點以下，才能使得晶閘管回到高阻態(tài)，如圖2所示。

圖1 晶閘管物理結構和電路

圖2 晶閘管正向?qū)ǖ碾娏?電壓(I-V)曲線

而當在陽極到陰極之間加一個負電壓偏置時，情況就完全不同了。因為此時只有J2處PN結是正向偏置，而這個正向偏壓PN結可以認為是這對雙極性晶體管的發(fā)射極和基極，這種非常規(guī)的情況如圖3所示 。同一個PN充當兩個三極管的發(fā)射極是不可能的。至于陽極到陰極成反偏壓的晶閘管情況很類似一個反向偏壓的二極管如圖4所示。

 
圖3 晶閘管在負電壓偏置下

圖 4 晶閘管的電流-電壓(I-V)曲線

在圖4中可以看到一個簡單的晶閘管的保護特性是很不對稱的。在電壓軸的正方向晶閘管導通會導致電阻急劇減少，而在電壓軸的負方向晶閘管會發(fā)生電位鉗制的動作，相當于一種基于TVS器件的二極管。為了具備對稱的過壓保護功能，我們必要使用兩個反平行的晶閘管。這可以由一對不連續(xù)的晶閘管來實現(xiàn)，如圖5a所示；或者可以由五種不同摻雜濃度的P區(qū)或N區(qū)組成的硅器件來實現(xiàn)，如圖5b所示那樣，這種器件一般就被叫做晶閘管浪涌保護器件(TSPD)，它的電流-電壓曲線特性如圖6所示。

圖5 非平行的晶閘管 a) 一對非平行的晶閘管 b) 集成于單個硅器件的非平行的晶閘管

圖6 一對非平行的晶閘管的電流-電壓(I-V)曲線

大多數(shù)晶閘管浪涌保護器件(TSPD)是對稱的雙向特性的，但也有內(nèi)含二極管單向特性的，如圖7所示。而不對稱的雙向晶閘管浪涌保護器件(TSPD)是在一個極性方向有著減小了的觸發(fā)電壓，如圖7所示。
 

圖7 雙向和單向的晶閘管浪涌保護器件(TSPD)的例子

 
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