De Shockley-diode

Onze verkenning van thyristors begint met een apparaat dat de vierlaagse diode wordt genoemd, ook bekend als een PNPN-diode, of een Shockley-diode naar zijn uitvinder, William Shockley. Dit moet niet worden verward met een Schottky-diode, dat tweelaagse metaal-halfgeleiderapparaat dat bekend staat om zijn hoge schakelsnelheid. Een ruwe illustratie van de Shockley-diode, vaak te zien in leerboeken, is een vierlaagse sandwich van P-N-P-N-halfgeleidermateriaal, onderstaande afbeelding.

Helaas doet deze eenvoudige illustratie niets om de kijker te informeren over hoe het werkt of waarom. Overweeg een alternatieve weergave van de constructie van het apparaat in onderstaande afbeelding.

Op deze manier weergegeven, lijkt het een set onderling verbonden bipolaire transistors te zijn, de ene PNP en de andere NPN. Getekend met behulp van standaard schematische symbolen, en met inachtneming van de dopingconcentraties in de laag die niet worden getoond in de laatste afbeelding, ziet de Shockley-diode er als volgt uit (figuur hieronder)

Laten we een van deze apparaten aansluiten op een bron met variabele spanning en kijken wat er gebeurt.

Als er geen spanning wordt toegepast, is er natuurlijk geen stroom. Als de spanning aanvankelijk wordt verhoogd, zal er nog steeds geen stroom zijn omdat geen van beide transistoren kan inschakelen:beide bevinden zich in de cutoff-modus. Om te begrijpen waarom dit is, moet u nadenken over wat er nodig is om een ​​bipolaire junctietransistor in te schakelen:stroom door de basis-emitterovergang. Zoals u in het diagram kunt zien, wordt de basisstroom door de onderste transistor geregeld door de bovenste transistor en wordt de basisstroom door de bovenste transistor geregeld door de onderste transistor. Met andere woorden, geen van beide transistors kan worden ingeschakeld totdat de andere transistor wordt ingeschakeld. Wat we hier hebben, staat in volkstaal bekend als een Catch-22.

De Shockley-diode in- en uitschakelen

Dus hoe kan een Shockley-diode ooit stroom geleiden, als de samenstellende transistors zichzelf koppig in een staat van afsnijding houden? Het antwoord ligt in het gedrag van echte transistors in tegenstelling tot ideale transistors. Een ideale bipolaire transistor zal nooit collectorstroom geleiden als er geen basisstroom vloeit, hoeveel of weinig spanning we ook aanleggen tussen collector en emitter. Echte transistors hebben daarentegen duidelijke grenzen aan hoeveel collector-emitter-spanning elk kan weerstaan ​​​​voordat er een kapot gaat en geleidt. Als twee echte transistors op deze manier zijn aangesloten om een ​​Shockley-diode te vormen, zal elk geleiden als er voldoende spanning door de batterij tussen anode en kathode wordt aangelegd om een ​​van hen te laten bezwijken. Zodra een transistor kapot gaat en begint te geleiden, zal deze basisstroom door de andere transistor laten gaan, waardoor deze op een normale manier wordt ingeschakeld, waardoor basisstroom door de eerste transistor mogelijk wordt. Het eindresultaat is dat beide transistors verzadigd raken, waardoor ze elkaar nu aan in plaats van uit houden.

We kunnen dus een Shockley-diode dwingen om in te schakelen door voldoende spanning tussen anode en kathode aan te leggen. Zoals we hebben gezien, zal dit er onvermijdelijk toe leiden dat een van de transistors wordt ingeschakeld, die vervolgens de andere transistor inschakelt, waardoor uiteindelijk beide transistors worden "vergrendeld" op de plaats waar ze de neiging hebben te blijven. Maar hoe krijgen we nu de twee transistoren weer uit? Zelfs als de aangelegde spanning wordt verlaagd tot een punt dat ver onder het niveau ligt dat nodig is om de Shockley-diode te laten geleiden, blijft deze geleiden omdat beide transistoren nu basisstroom hebben om een ​​regelmatige, gecontroleerde geleiding te behouden. Het antwoord hierop is om de aangelegde spanning te verlagen tot een veel lager punt waar te weinig stroom vloeit om de transistorvoorspanning te behouden, op welk punt een van de transistoren zal uitschakelen, die vervolgens de basisstroom door de andere transistor stopt, waardoor beide transistors in de "uit" staat zoals elk was voordat er enige spanning werd toegepast.

Spanning versus stroomdiagram in het circuit van een Shockley-diode

Als we deze reeks gebeurtenissen in een grafiek zetten en de resultaten op een I/V-grafiek plotten, is de hysterese duidelijk. Eerst zullen we het circuit observeren terwijl de DC-spanningsbron (batterij) is ingesteld op nulspanning:(figuur hieronder)

Vervolgens zullen we de gelijkspanning gestaag verhogen. De stroom door het circuit is op of bijna nul, omdat de doorslaglimiet voor geen van beide transistoren is bereikt.

Wanneer de spanningsdoorslaglimiet van één transistor is bereikt, begint deze collectorstroom te geleiden, ook al is er nog geen basisstroom doorheen gegaan. Normaal gesproken zou dit soort behandeling een bipolaire junctietransistor vernietigen, maar de PNP-juncties die een Shockley-diode bevatten, zijn ontworpen om dit soort misbruik op te vangen, vergelijkbaar met de manier waarop een Zener-diode is gebouwd om omgekeerde doorslag aan te pakken zonder schade op te lopen. Ter illustratie ga ik ervan uit dat de onderste transistor het eerst kapot gaat en stroom door de basis van de bovenste transistor stuurt:(figuur hieronder)

Terwijl de bovenste transistor basisstroom ontvangt, wordt deze ingeschakeld zoals verwacht. Door deze actie kan de onderste transistor normaal geleiden, waarbij de twee transistoren zichzelf "verzegelen" in de "aan" -status. Volledige stroom is snel te zien in het circuit:(figuur hieronder)

De positieve feedback die eerder in dit hoofdstuk werd genoemd, is hier duidelijk zichtbaar. Wanneer een transistor uitvalt, laat deze stroom door de apparaatstructuur. Deze stroom kan worden gezien als het "uitgangssignaal" van het apparaat. Zodra een uitgangsstroom tot stand is gebracht, werkt het om beide transistors in verzadiging te houden, waardoor de voortzetting van een aanzienlijke uitgangsstroom wordt gegarandeerd. Met andere woorden, een uitgangsstroom "koppelt" positief terug naar de ingang (transistorbasisstroom) om beide transistoren in de "aan" -toestand te houden, waardoor ze zichzelf versterken (of regenereren).

Met beide transistoren in een staat van verzadiging gehouden met de aanwezigheid van voldoende basisstroom, zal elk blijven geleiden, zelfs als de aangelegde spanning sterk wordt verlaagd ten opzichte van het doorslagniveau. Het effect van positieve feedback is om beide transistors in een staat van verzadiging te houden ondanks het verlies van ingangsstimulus (de oorspronkelijke, hoge spanning die nodig is om één transistor af te breken en een basisstroom door de andere transistor te veroorzaken):(figuur hieronder) P>

Als de DC-spanningsbron echter te ver wordt verlaagd, zal het circuit uiteindelijk een punt bereiken waarop er niet genoeg stroom is om beide transistors in verzadiging te houden. Naarmate een transistor steeds minder collectorstroom doorlaat, vermindert deze de basisstroom voor de andere transistor, waardoor de basisstroom voor de eerste transistor wordt verminderd. De vicieuze cirkel gaat snel door totdat beide transistors in de cutoff vallen:(figuur hieronder)

Hier is weer positieve feedback aan het werk:het feit dat de oorzaak/gevolg-cyclus tussen beide transistors "vicieuze" is (een afname van de stroom door de ene werkt om de stroom door de andere te verminderen, een verdere afname van de stroom door de eerste transistor) duidt op een positieve relatie tussen output (gecontroleerde stroom) en input (controle van stroom door de bases van de transistors).

De resulterende curve in de grafiek is klassiek hysteretisch:naarmate het ingangssignaal (spanning) wordt verhoogd en verlaagd, volgt de uitgang (stroom) niet hetzelfde pad naar beneden als naar boven:(figuur hieronder)

Simpel gezegd, de Shockley-diode heeft de neiging om aan te blijven als hij eenmaal is ingeschakeld en uit te blijven als hij is uitgeschakeld. Geen "tussen" of "actieve" modus in zijn werking:het is een puur aan of uit apparaat, zoals alle thyristors.

Speciale voorwaarden om op te merken

Een paar speciale voorwaarden zijn van toepassing op Shockley-diodes en alle andere thyristorapparaten die zijn gebouwd op de Shockley-diodebasis. De eerste is de term die wordt gebruikt om de "aan" -status te beschrijven:vergrendeld. Het woord "vergrendeling" doet denken aan een deurvergrendelingsmechanisme, dat de neiging heeft om de deur gesloten te houden nadat deze is dichtgeduwd. De term afvuren verwijst naar het initiëren van een vergrendelde toestand. Om een ​​Shockley-diode te laten vergrendelen, moet de aangelegde spanning worden verhoogd totdat de onderbreking is bereikt. Hoewel deze actie het best kan worden omschreven als het doorbreken van een transistor, wordt in plaats daarvan de term break-over gebruikt omdat het resultaat een paar transistors is in wederzijdse verzadiging in plaats van vernietiging van de transistor. Een vergrendelde Shockley-diode wordt teruggezet in zijn niet-geleidende toestand door de stroom erdoorheen te verminderen totdat een lage stroomuitval optreedt.

Houd er rekening mee dat Shockley-diodes op een andere manier dan break-over kunnen worden geactiveerd:overmatige spanningsstijging of dv/dt. Als de aangelegde spanning over de diode met een hoge veranderingssnelheid toeneemt, kan deze worden geactiveerd. Dit kan het vergrendelen (inschakelen) van de diode veroorzaken als gevolg van inherente junctiecapaciteiten in de transistors. Condensatoren, zoals u zich misschien herinnert, verzetten zich tegen spanningsveranderingen door stroom te trekken of te leveren. Als de aangelegde spanning over een Shockley-diode te snel stijgt, zullen die kleine capaciteiten gedurende die tijd voldoende stroom trekken om het transistorpaar te activeren, waardoor ze allebei worden ingeschakeld. Gewoonlijk is deze vorm van vergrendeling ongewenst en kan worden geminimaliseerd door hoogfrequente (snelle spanningsstijgingen) van de diode te filteren met seriespoelen en parallelle weerstand-condensatornetwerken die snubbers worden genoemd:(figuur hieronder)

De spanningsstijgingslimiet van een Shockley-diode wordt de kritische snelheid van spanningsstijging genoemd. Fabrikanten verstrekken deze specificatie meestal voor de apparaten die ze verkopen.

BEOORDELING:

• Shockley-diodes zijn vierlaagse PNPN-halfgeleiders. Deze gedragen zich als een paar onderling verbonden PNP- en NPN-transistoren.
• Zoals alle thyristors hebben Shockley-diodes de neiging om aan te blijven als ze eenmaal zijn ingeschakeld (vergrendeld) en uit blijven als ze eenmaal zijn uitgeschakeld.
• Om een ​​Shockley-diode te vergrendelen, overschrijdt u de anode-naar-kathode-doorbreekspanning, of overschrijdt u de anode-naar-kathode kritische spanningsstijging.
• Om ervoor te zorgen dat een Shockley-diode stopt met geleiden, moet u de stroom die er doorheen gaat, verlagen tot een niveau onder de lage stroomuitvaldrempel.