Диод Шокли

Наше исследование тиристоров начинается с устройства, называемого четырехслойным диодом, также известного как диод PNPN или диод Шокли в честь его изобретателя Уильяма Шокли. Его не следует путать с диодом Шоттки, этим двухслойным металл-полупроводниковым устройством, известным своей высокой скоростью переключения. Грубая иллюстрация диода Шокли, часто встречающаяся в учебниках, представляет собой четырехслойный сэндвич из полупроводникового материала P-N-P-N, рисунок ниже.

К сожалению, эта простая иллюстрация никак не разъясняет зрителю, как она работает и почему. Рассмотрим альтернативную визуализацию конструкции устройства на рисунке ниже.

Показанный таким образом, он выглядит как набор взаимосвязанных биполярных транзисторов, один PNP, а другой NPN. Нарисованный с использованием стандартных схематических символов и с учетом концентраций легирования слоев, не показанных на последнем изображении, диод Шокли выглядит следующим образом (рисунок ниже)

Давайте подключим одно из этих устройств к источнику переменного напряжения и посмотрим, что произойдет.

Без напряжения, конечно, не будет тока. При первоначальном увеличении напряжения тока все равно не будет, потому что ни один из транзисторов не может включиться:оба будут в режиме отсечки. Чтобы понять, почему это так, подумайте, что нужно для включения биполярного переходного транзистора:ток через переход база-эмиттер. Как вы можете видеть на схеме, базовый ток через нижний транзистор управляется верхним транзистором, а базовый ток через верхний транзистор управляется нижним транзистором. Другими словами, ни один из транзисторов не может включиться, пока не включится другой транзистор. То, что мы имеем здесь, на просторечии известно как «Уловка-22».

Включение и выключение диода Шокли

Так как же диод Шокли может проводить ток, если составляющие его транзисторы упорно находятся в состоянии отсечки? Ответ заключается в поведении реальных транзисторов в отличие от идеальных транзисторов. Идеальный биполярный транзистор никогда не будет проводить ток коллектора, если ток базы не течет, независимо от того, какое напряжение мы прикладываем между коллектором и эмиттером. С другой стороны, у реальных транзисторов есть определенные ограничения на то, сколько напряжения коллектор-эмиттер каждый может выдержать, прежде чем один из них выйдет из строя и проведет ток. Если два реальных транзистора соединены таким образом, чтобы сформировать диод Шокли, каждый из них будет проводить, если батарея приложит достаточное напряжение между анодом и катодом, чтобы вызвать пробой одного из них. Как только один транзистор выходит из строя и начинает проводить, он пропускает базовый ток через другой транзистор, вызывая его нормальное включение, что затем пропускает базовый ток через первый транзистор. Конечным результатом является то, что оба транзистора будут насыщены, и теперь они будут держать друг друга включенными, а не выключенными.

Итак, мы можем заставить диод Шокли включиться, приложив достаточное напряжение между анодом и катодом. Как мы видели, это неизбежно приведет к включению одного из транзисторов, который затем включает другой транзистор, в конечном итоге «защелкивая» оба транзистора там, где каждый из них будет иметь тенденцию оставаться. Но как теперь заставить два транзистора снова выключиться? Даже если приложенное напряжение снизится до точки, значительно меньшей, чем требуется для обеспечения проводимости диода Шокли, он останется проводящим, потому что оба транзистора теперь имеют базовый ток для поддержания регулярной контролируемой проводимости. Ответ на это заключается в том, чтобы уменьшить приложенное напряжение до гораздо более низкой точки, где течет слишком мало тока для поддержания смещения транзистора, и в этот момент один из транзисторов отключится, что затем остановит ток базы через другой транзистор, запечатывая оба транзистора в Состояние «выключено», так как каждый из них был до того, как вообще было подано какое-либо напряжение.

График зависимости напряжения от тока в цепи диода Шокли

Если мы изобразим эту последовательность событий и нанесем результаты на график I / V, гистерезис станет очевидным. Во-первых, мы понаблюдаем за схемой, когда источник постоянного напряжения (батарея) установлен на нулевое напряжение:(рисунок ниже)

Далее мы будем постепенно увеличивать напряжение постоянного тока. Ток в цепи равен нулю или почти равен нулю, поскольку не достигнут предел пробоя ни для одного из транзисторов.

Когда достигается предел пробоя напряжения одного транзистора, он начинает проводить ток коллектора, даже если через него еще не прошел базовый ток. Обычно такая обработка разрушает биполярный переходной транзистор, но PNP-переходы, содержащие диод Шокли, спроектированы так, чтобы выдерживать такие злоупотребления, аналогично тому, как построен стабилитрон, чтобы справиться с обратным пробоем без повреждения. Для наглядности я предположу, что первым выходит из строя нижний транзистор, пропуская ток через базу верхнего транзистора:(рисунок ниже)

Когда верхний транзистор получает ток базы, он включается, как и ожидалось. Это действие позволяет нижнему транзистору нормально проводить, а два транзистора «герметизируют» себя в состоянии «включено». В цепи быстро заметен полный ток:(рисунок ниже)

Положительные отзывы, упомянутые ранее в этой главе, здесь явно очевидны. Когда один транзистор выходит из строя, он пропускает ток через структуру устройства. Этот ток можно рассматривать как «выходной» сигнал устройства. Как только выходной ток установлен, он работает, чтобы удерживать оба транзистора в состоянии насыщения, обеспечивая, таким образом, продолжение значительного выходного тока. Другими словами, выходной ток положительно «возвращается» ко входу (ток базы транзистора), чтобы поддерживать оба транзистора в состоянии «включено», тем самым усиливая (или регенерируя) себя.

Когда оба транзистора поддерживаются в состоянии насыщения при наличии достаточного базового тока, каждый будет продолжать проводить, даже если приложенное напряжение значительно снизится по сравнению с уровнем пробоя. Эффект положительной обратной связи заключается в том, чтобы поддерживать оба транзистора в состоянии насыщения, несмотря на потерю входного стимула (исходное высокое напряжение, необходимое для разрушения одного транзистора и возникновения тока базы через другой транзистор):(рисунок ниже)

Однако, если источник постоянного напряжения слишком сильно понижен, схема в конечном итоге достигнет точки, при которой не будет достаточного тока для поддержания насыщения обоих транзисторов. Поскольку один транзистор пропускает все меньший и меньший ток коллектора, он уменьшает базовый ток другого транзистора, тем самым уменьшая базовый ток первого транзистора. Порочный круг быстро продолжается до тех пор, пока оба транзистора не перейдут в режим отсечки:(рисунок ниже)

Здесь снова работает положительная обратная связь:тот факт, что причинно-следственный цикл между обоими транзисторами является «порочным» (уменьшение тока через один работает для уменьшения тока через другой, дальнейшее уменьшение тока через первый транзистор) указывает на положительный соотношение между выходом (управляемый ток) и входом (управление током через базы транзисторов).

Результирующая кривая на графике имеет классическую гистерезисную форму:по мере того, как входной сигнал (напряжение) увеличивается и уменьшается, выходной (ток) не следует по тому же пути, что идет вниз, а по восходящей:(рисунок ниже)

Проще говоря, диод Шокли имеет тенденцию оставаться включенным после включения и выключаться после выключения. В его работе нет «промежуточного» или «активного» режима:это чисто включенное или выключенное устройство, как и все тиристоры.

Особые условия на заметку

Несколько специальных терминов применимы к диодам Шокли и всем другим тиристорным устройствам, построенным на основе диодов Шокли. Во-первых, это термин, используемый для описания его «включенного» состояния:зафиксировано. Слово «защелка» напоминает механизм дверного замка, который имеет тенденцию удерживать дверь закрытой после того, как она была закрыта. Термин срабатывание относится к запуску фиксированного состояния. Чтобы диод Шокли зафиксировался, необходимо увеличивать приложенное напряжение до тех пор, пока не будет достигнуто размыкание. Хотя это действие лучше всего описывается как пробой транзистора, вместо него используется термин «пробой», поскольку в результате происходит взаимное насыщение пары транзисторов, а не разрушение транзистора. Диод Шокли с защелкой снова переводится в непроводящее состояние путем уменьшения тока через него до тех пор, пока не произойдет выпадение слабого тока.

Обратите внимание, что диоды Шокли могут срабатывать не только при размыкании, но и другим способом:чрезмерное повышение напряжения или dv / dt. Если приложенное напряжение на диоде увеличивается с высокой скоростью изменения, он может сработать. Это может вызвать фиксацию (включение) диода из-за собственных емкостей перехода внутри транзисторов. Как вы помните, конденсаторы противодействуют изменениям напряжения, потребляя или подавая ток. Если приложенное напряжение на диоде Шокли растет слишком быстро, эти крошечные емкости будут потреблять достаточно тока в течение этого времени, чтобы активировать пару транзисторов, включая их оба. Обычно такая форма фиксации нежелательна, и ее можно свести к минимуму, отфильтровывая высокочастотные (быстрые нарастания напряжения) диода с помощью последовательных катушек индуктивности и параллельных цепей резистор-конденсатор, называемых демпферами:(рисунок ниже)

Предел повышения напряжения диода Шокли называется критической скоростью нарастания напряжения. Производители обычно предоставляют эту спецификацию для продаваемых устройств.

ОБЗОР:

• Диоды Шокли - это четырехслойные полупроводниковые устройства PNPN. Они ведут себя как пара соединенных между собой транзисторов PNP и NPN.
• Как и все тиристоры, диоды Шокли обычно остаются включенными после включения (фиксируются) и остаются выключенными после выключения.
• Для фиксации диода Шокли превышение напряжения переключения между анодом и катодом или превышение критической скорости нарастания напряжения между анодом и катодом.
• Чтобы диод Шокли перестал проводить ток, уменьшите ток, проходящий через него, до уровня ниже его порога отключения при слабом токе.