简单认识栅极关断晶闸管

双极功率晶体管的电流放大倍数和通态特性会随着电压级别的增加而迅速降低，因此抑制了其在电压高于2kV 牵引设备（如电力机车） 应用中的发展。在直流电路中，将晶闸管结构设计成利用栅极信号就可以控制开启和关断的需求推动了栅极关断(Gate Turn-Off， GTO） 晶闸管的发展。GTO 晶闸管的关断是通过施加一个大的反向电流来实现的。栅电流必须足够大才能够消除掉p 基区的存储电荷，同时中止内部晶体管耦合行为以关断电流。此类器件有个电流上限，称为最大可关断电流或最大可控制电流。当电流超过这一极限，欲施加更大的反向栅电流以关闭器件时，会引发p型基区与n⁺阴极导通而无法关闭电流。GTO 晶闸管的最大可关断电流密度约为 1000A/cm²，最大关断增益（器件电流与反向栅电流之比值）约为 5。

对称 GTO 晶闸管的结构和电场分布如图2-88 所示。尽管和传统的晶闸管结构相似，但是GTO 结构不包含阴极短接。正向偏置时，由p型基区/n 基区结承受电压降。晶体管 npn 基区开路的击穿电压决定了正向阻断能力，这一点与传统晶闸管一致。反向偏置时，电压降主要集中在p⁺阳极-n基区结，这一结构有着几乎相同的反向阻断电压。

因为 GTO 晶闸管是用在直流电路中的，所以它的反向阻断能力不需要和它的正向阻断能力一样强。非对称 GTO 晶闸管的结构和电场分布如图2-89 所示。在临近p⁺阳极区域的n基区内加入了一个n缓冲层，如图2-89（a）所示。n缓冲层的掺杂浓度比n基区轻摻杂部分的掺杂浓度要高很多。非对称 GTO 晶闸管的梯形电场分布如图 2-89（b）所示。要获得相同的正向阻断电压，非对称结构 GTO 晶闸管的n基区净厚度比对称结构的 GTO 晶闸管所需要的n基区厚度小一些，这会使得通态压降低。同时n缓冲层也降低了pnp 晶体管的电流放大倍数，这可以提高 GTO 晶闸管的关断增益。n缓冲层常和阳极短接在一起用來缩短关断时间。

GTO 晶闸管可以关断直流功率电路中的电流，故在电力机车的电机驱动设备中已采用 GTO 晶闸管来控制驱动电流。这些新一代的电机驱动设备被广泛应用在高速铁路运输系统中。

审核编辑：汤梓红