中心論題：

• 分析晶閘管的保護(hù)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(hù)特性的缺陷
• TSPD有雙向和單向之分

晶閘管的過壓保護(hù)設(shè)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(gòu)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(gòu)成了PNP晶體管的發(fā)射極，基極，和收集極。這樣一來一個(gè)晶體管的收集極是另外一個(gè)晶體管的基極。按這種方法那么一個(gè)晶體管的發(fā)射極到收集極流過的電流就是流向另一個(gè)晶體管的基極的電流。如果加一個(gè)從陽極到陰極的正電壓，那兩個(gè)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(jié)形成反向電壓偏置時(shí)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(jié)的擊穿電壓，電流就開始直接流向兩個(gè)雙極性晶體管的基極。這使得兩個(gè)三極管都導(dǎo)通，會導(dǎo)致含有兩個(gè)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(shí)的電壓-電流曲線。有著這樣的電壓-電流曲線特性的保護(hù)器件一定會有非常優(yōu)秀的保護(hù)特性。當(dāng)保護(hù)器件在觸發(fā)后，工作電壓下降時(shí)保護(hù)器件可以承受大的電流并且自身功耗很小。事實(shí)上，具有這種電壓-電流曲線特性的保護(hù)器件通常被稱為“消弧”保護(hù)器件，因?yàn)檫@就好比是通過把一個(gè)“金屬消弧”放置在需要保護(hù)的端口來實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用的。值得注意的是只有當(dāng)電流或者電壓降到閾值點(diǎn)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(jié)構(gòu)和電路

圖2 晶閘管正向?qū)ǖ碾娏?電壓(I-V)曲線

而當(dāng)在陽極到陰極之間加一個(gè)負(fù)電壓偏置時(shí)，情況就完全不同了。因?yàn)榇藭r(shí)只有J2處PN結(jié)是正向偏置，而這個(gè)正向偏壓PN結(jié)可以認(rèn)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(gè)PN充當(dāng)兩個(gè)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(gè)反向偏壓的二極管如圖4所示。

 
圖3 晶閘管在負(fù)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(gè)簡單的晶閘管的保護(hù)特性是很不對稱的。在電壓軸的正方向晶閘管導(dǎo)通會導(dǎo)致電阻急劇減少，而在電壓軸的負(fù)方向晶閘管會發(fā)生電位鉗制的動作，相當(dāng)于一種基于TVS器件的二極管。為了具備對稱的過壓保護(hù)功能，我們必要使用兩個(gè)反平行的晶閘管。這可以由一對不連續(xù)的晶閘管來實(shí)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(shí)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(hù)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(gè)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(hù)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(hù)器件(TSPD)是在一個(gè)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(hù)器件(TSPD)的例子

 
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