GTO的基本结构和基本工作原理是什么？详细概述

GTO是一种电流控制型的自关断双极型器件。跟全控器件BJT一样，当门极（对晶体管称基极）引入正向电流时导通，引入反向电流时关断，但不能像BJT那样在门极信号撤除时也能自行关断。这就是说，GTO跟晶闸管一样，一旦导通即能在导通状态下发生擎住效应，没有门极电流仍然导通。所以GTO是一种必须靠门极电流的极性变化来改变通断状态的晶闸管。使GTO关断的反向门极电流通常须达到阳极电流的1/5～1/3，因而关断过程的控制远不如BJT经济和方便。但是，从单管的功率处理量来比较，BJT又远不如GTO。GTO在大容量电力电子变换器的历史中曾起到重要作用。

图1 典型的GTO结构图

GTO的基本结构和基本工作原理与普通晶闸管大同小异，只是为了实现门极关断和提高门极的控制能力而扩大了P区（与门极接触）对N+发射区（与阴极接触）的相对面积，并将N+区化整为零，分置于P区环绕之中。这些分离开的微小N+区，通过共用P区、N区和P+区，形成GTO管芯的全部晶闸管单元。每个单元晶闸管各有其独立的阴极，通常用压接方式将它们并联于同一阴极压块上。GTO的阳极通常是一定形状的金属网格连接在一起。图1给出了一个典型的GTO管芯的局部断面示意图。从工艺角度说GTO的制造要比晶闸管制造精细得多、复杂得多，但GTO拥有晶闸管一样的简化结构，如图2所示。

图2 简化的晶闸管结构以及外电路连接

GTO也是在部分先导通，然后扩展实现全面导通。略有不同的是，GTO的导通是同时在各个单元里发生的，在各个单元里同时从边沿向中心扩展，而普通晶闸管作为一个完整的大单元来开通，扩展面积要大得多。

就每个单元而言，GTO的开通过程与晶闸管完全相同，也是靠门极注入正向电流来满足导通条件：

GTO的关断过程也是在各个单元里同时进行的，但其关断方式及原理与晶闸管不同，它是靠反偏门极对P区中空穴的抽取来实现关断的。对于晶闸管类型的器件来说，P区中的不平衡载流子是维持导通的必要条件。当不平衡载流子中的空穴随着门极负电流流走时，J2结和J3结的正偏条件被削弱，N+区通过J3结向P区注入电子的注入效率相应下降，直至完全失去正偏条件，停止额外电子的注入。当然，这个过程也是在每个单元里从边沿向中心逐渐推进的，电子和空穴浓度从外向里逐渐减少，J2结从外向里逐渐恢复阻断作用。当电子和空穴减少到一定限度时，J3结的注入效应单元的难以维持整个导通状态，于是J2结恢复其反偏状态，GTO在每个单元都恢复了J2结的反向阻断能力时即被关断。

不能对普通晶闸管用同样方式来控制关断，原因在于两者结构的不同。GTO采用化整为零且用P区包围N+区的结构形式，可以看成对晶闸管结构做了改良。如前所述，关断首先是破坏P区中的过剩电子和空穴，将空穴从门极引出。由于门极和阴极是在器件的同一侧，门极电流基本上是由P区的横向电阻决定的横向电流，而P区很薄，厚度一般只有几十μm，门-阴极距离较远时，横向电阻必然过大，所以普通晶闸管的门-阴极结构无法抽出足够大的空穴电流。GTO的门-阴极结构极大地缩短了两者的距离，因而能有效地抽取空穴。

作为IGCT的重要组成部分，门极换流晶闸管（GCT）可以看成是改良的GTO,其开通的基本工作原理跟晶闸管基本一致。而关断可以看成将阴极电流完全换到门极的GTO，是需要外围的辅助MOSFET配合来完成的，IGCT可以看成一种两种器件在芯片外混合的复合型器件。