Понимание диода Шокли: подробное руководство по PNPN тиристорам

Наше путешествие в тиристоры начинается с четырехслойного PNPN прибора, обычно называемого диодом Шокли в честь его изобретателя Уильяма Шокли. Его не следует путать с Шоттки диодом, который представляет собой двухслойный металл-полупроводник переход, известный своим быстрым переключением.

Учебники часто изображают диод Шокли как простой четырехслойный стоп P-N-P-N материала (см. Рисунок 1). Хотя иллюстрация легка для понимания, она мало объясняет, как прибор фактически функционирует.

Для освещения его внутренней структуры более детальная визуализация (Рисунок 2) показывает прибор как два взаимосвязанных биполярных транзистора — один PNP и один NPN — разделяющие общие эмиттерные и коллекторные области. Нарисованный со стандартными схематическими символами и правильными концентрациями легирования, диод Шокли выглядит как проиллюстрировано на Рисунке 3.

Подключение прибора к переменному источнику напряжения

Когда напряжение не приложено, ток не течет. По мере увеличения напряжения прибор остается непроводящим, потому что оба транзистора остаются в запире. Это происходит потому, что базовый ток каждого транзистора контролируется другим; ни один не может включиться без включения другого — «идеальный замкнутый цикл».

Как диод Шокли включается и выключается

Реальные транзисторы отличаются от идеальной модели: они могут выдержать конечное коллекторно-эмиттерное напряжение перед пробоем. В конфигурации Шокли, как только приложенное анодно-катодное напряжение превышает пробойный порог одного транзистора, он начинает проводить. Эта проводимость поставляет базовый ток другому транзистору, включая его обычным способом. Результат — взаимно усиливающая петля: оба транзистора насыщаются, удерживая прибор защелкнутым в включенном состоянии.

Для возврата прибора в выключенное состояние приложенное напряжение должно быть снижено ниже низкотокового порога выключения. В этой точке один транзистор попадает в запирание, устраняя базовый ток другому, и вся структура возвращается в выключенное состояние.

Вольт-амперные характеристики и гистерезис

I-V связь диода Шокли демонстрирует классический гистерезис. При нулевом приложенном напряжении ток нулевой (Рисунок 4). По мере роста напряжения ток остается близким к нулю до достижения точки пробоя (Рисунок 5). В этот момент один транзистор пробивается, запуская другой и производя резкий скачок тока (Рисунок 6). Даже когда напряжение впоследствии снижается, прибор остается включенным до падения тока ниже порога удержания (Рисунок 7). Если напряжение снижается дальше, ток резко падает, и прибор выключается (Рисунок 8). Полученная кривая показывает четкий цикл, подтверждая бинарную включено/выключено природу прибора (Рисунок 9).

Ключевая терминология

• Защелкнутый (Latched) — прибор остается включенным после срабатывания.
• Срабатывание (Firing) — акт инициации защелкнутого состояния, обычно превышением пробойного напряжения.
• Пробой (Breakover) — напряжение, при котором один транзистор начинает проводить в пробое, приводя к защелкиванию.
• Выключение (Dropout) — низкотоковый порог, ниже которого прибор возвращается в выключенное состояние.
• Критическая скорость нарастания напряжения — максимальный dv/dt, который диод может выдержать без непреднамеренного защелкивания.

Диоды также могут срабатывать из-за быстрых изменений напряжения (dv/dt). Внутренние переходные емкости действуют как временные источники тока, которые могут запустить транзисторы, если напряжение поднимается слишком быстро. Для смягчения этого проектировщики используют последовательные дроссели и параллельные RC-гасители (Рисунок 10) для ограничения dv/dt и защиты прибора.

Быстрый обзор

• Диоды Шокли — PNPN четырехслойные приборы, функционирующие как пара связанных PNP и NPN транзисторов.
• Как все тиристоры, они защелкиваются включенными после срабатывания и остаются включенными до падения тока ниже удержания.
• Срабатывание происходит превышением либо пробойного напряжения, либо критического dv/dt.
• Раззащелкивание достигается снижением тока ниже порога удержания.