Die Shockley-Diode

Unsere Erforschung von Thyristoren beginnt mit einem Gerät namens Vierschichtdiode, auch bekannt als PNPN-Diode oder Shockley-Diode nach ihrem Erfinder William Shockley. Dies ist nicht mit einer Schottky-Diode zu verwechseln, einem zweischichtigen Metall-Halbleiter-Bauelement, das für seine hohe Schaltgeschwindigkeit bekannt ist. Eine grobe Illustration der Shockley-Diode, die oft in Lehrbüchern zu sehen ist, ist ein vierschichtiges Sandwich aus P-N-P-N-Halbleitermaterial, Abbildung unten.

Leider trägt diese einfache Illustration nicht dazu bei, den Betrachter darüber aufzuklären, wie es funktioniert oder warum. Betrachten Sie eine alternative Darstellung des Geräteaufbaus in Abbildung unten.

So dargestellt, scheint es sich um einen Satz miteinander verbundener Bipolartransistoren zu handeln, von denen einer PNP und der andere NPN ist. Gezeichnet mit standardmäßigen Schaltplansymbolen und unter Berücksichtigung der im letzten Bild nicht gezeigten Schichtdotierungskonzentrationen sieht die Shockley-Diode wie folgt aus (Abbildung unten)

Schließen wir eines dieser Geräte an eine variable Spannungsquelle an und sehen wir, was passiert.

Ohne angelegte Spannung fließt natürlich kein Strom. Wenn die Spannung anfänglich erhöht wird, fließt immer noch kein Strom, da keiner der Transistoren einschalten kann:beide befinden sich im Abschaltmodus. Um zu verstehen, warum dies so ist, überlegen Sie, was es braucht, um einen Bipolartransistor einzuschalten:Strom durch den Basis-Emitter-Übergang. Wie Sie im Diagramm sehen können, wird der Basisstrom durch den unteren Transistor vom oberen Transistor gesteuert und der Basisstrom durch den oberen Transistor wird vom unteren Transistor gesteuert. Mit anderen Worten, keiner der Transistoren kann einschalten, bis der andere Transistor einschaltet. Was wir hier haben, ist im Volksmund als Catch-22 bekannt.

Ein- und Ausschalten der Shockley-Diode

Wie kann also eine Shockley-Diode jemals Strom leiten, wenn sich ihre Transistoren hartnäckig im Sperrzustand halten? Die Antwort liegt im Verhalten realer Transistoren im Gegensatz zu idealen Transistoren. Ein idealer Bipolartransistor leitet niemals Kollektorstrom, wenn kein Basisstrom fließt, egal wie viel oder wenig Spannung wir zwischen Kollektor und Emitter anlegen. Reale Transistoren hingegen haben bestimmte Grenzen, wie viel Kollektor-Emitter-Spannung jeder aushalten kann, bevor einer durchbricht und leitet. Werden zwei reale Transistoren auf diese Weise zu einer Shockley-Diode verschaltet, so leitet jeder, wenn von der Batterie zwischen Anode und Kathode genügend Spannung angelegt wird, um einen von ihnen zum Ausfall zu bringen. Sobald ein Transistor durchbricht und zu leiten beginnt, lässt er Basisstrom durch den anderen Transistor, wodurch dieser auf normale Weise eingeschaltet wird, wodurch dann Basisstrom durch den ersten Transistor durchgelassen wird. Das Endergebnis ist, dass beide Transistoren gesättigt sind und sich jetzt gegenseitig eingeschaltet statt ausgeschaltet halten.

Wir können also das Einschalten einer Shockley-Diode erzwingen, indem wir eine ausreichende Spannung zwischen Anode und Kathode anlegen. Wie wir gesehen haben, führt dies unweigerlich dazu, dass einer der Transistoren einschaltet, der dann den anderen Transistor einschaltet und letztendlich beide Transistoren „einrastet“, wo jeder dazu neigt, zu bleiben. Aber wie bekommen wir jetzt die beiden Transistoren wieder zum Abschalten? Selbst wenn die angelegte Spannung auf einen Punkt weit unter dem reduziert wird, der erforderlich ist, um die Shockley-Diode leitend zu machen, bleibt sie leitend, da beide Transistoren jetzt einen Basisstrom haben, um eine regelmäßige, kontrollierte Leitung aufrechtzuerhalten. Die Antwort darauf besteht darin, die angelegte Spannung auf einen viel niedrigeren Punkt zu reduzieren, an dem zu wenig Strom fließt, um die Transistorvorspannung aufrechtzuerhalten. An diesem Punkt wird einer der Transistoren abschalten, was dann den Basisstrom durch den anderen Transistor stoppt und beide Transistoren im „Aus“-Zustand, wie jeder einzelne war, bevor überhaupt eine Spannung angelegt wurde.

Spannungs-Strom-Diagramm in der Schaltung einer Shockley-Diode

Wenn wir diese Abfolge von Ereignissen grafisch darstellen und die Ergebnisse in einem I/V-Diagramm grafisch darstellen, ist die Hysterese offensichtlich. Zuerst betrachten wir die Schaltung, während die Gleichspannungsquelle (Batterie) auf Nullspannung eingestellt ist:(Abbildung unten)

Als nächstes werden wir die Gleichspannung stetig erhöhen. Der Strom durch die Schaltung ist bei oder fast bei Null, da die Durchbruchsgrenze für keinen der Transistoren erreicht wurde.

Wenn die Spannungsdurchbruchsgrenze eines Transistors erreicht ist, beginnt er, Kollektorstrom zu leiten, obwohl noch kein Basisstrom durch ihn geflossen ist. Normalerweise würde diese Art von Behandlung einen Bipolartransistor zerstören, aber die PNP-Übergänge einer Shockley-Diode sind so konstruiert, dass sie diese Art von Missbrauch aushalten, ähnlich wie eine Zener-Diode so gebaut ist, dass sie einen Sperrdurchbruch ohne Beschädigung handhabt. Zur Veranschaulichung gehe ich davon aus, dass der untere Transistor zuerst durchbricht und Strom durch die Basis des oberen Transistors sendet:(Abbildung unten)

Wenn der obere Transistor Basisstrom empfängt, schaltet er wie erwartet ein. Dadurch kann der untere Transistor normal leiten, die beiden Transistoren „dichten“ sich im „Ein“-Zustand selbst ab. Im Stromkreis ist schnell der volle Strom zu sehen:(Abbildung unten)

Das bereits erwähnte positive Feedback in diesem Kapitel ist hier deutlich zu erkennen. Wenn ein Transistor ausfällt, lässt er Strom durch die Gerätestruktur. Dieser Strom kann als „Ausgangssignal“ des Geräts angesehen werden. Sobald ein Ausgangsstrom aufgebaut ist, hält er beide Transistoren in Sättigung und stellt so die Fortsetzung eines beträchtlichen Ausgangsstroms sicher. Mit anderen Worten, ein Ausgangsstrom „rückkoppelt“ positiv an den Eingang (Transistorbasisstrom), um beide Transistoren im „Ein“-Zustand zu halten, wodurch sich selbst verstärkt (oder regeneriert) wird.

Wenn beide Transistoren in einem Sättigungszustand gehalten werden, während ein ausreichender Basisstrom vorhanden ist, wird jeder weiterhin leiten, selbst wenn die angelegte Spannung vom Durchbruchspegel stark verringert wird. Die positive Rückkopplung bewirkt, dass beide Transistoren trotz des Verlusts des Eingangsreizes (der ursprünglichen hohen Spannung, die benötigt wird, um einen Transistor durchbrechen und einen Basisstrom durch den anderen Transistor zu erzeugen) in einem Sättigungszustand gehalten wird:(Abbildung unten)

Wenn die Gleichspannungsquelle jedoch zu weit heruntergedreht wird, erreicht die Schaltung schließlich einen Punkt, an dem nicht genügend Strom vorhanden ist, um beide Transistoren in Sättigung zu halten. Da ein Transistor immer weniger Kollektorstrom durchlässt, verringert er den Basisstrom für den anderen Transistor, wodurch der Basisstrom für den ersten Transistor verringert wird. Der Teufelskreis geht schnell weiter, bis beide Transistoren abgeschaltet werden:(Abbildung unten)

Auch hier ist positive Rückkopplung am Werk:Die Tatsache, dass der Ursache-Wirkungs-Zyklus zwischen beiden Transistoren „bösartig“ ist (eine Verringerung des Stroms durch den einen wirkt sich auf eine Verringerung des Stroms durch den anderen aus, weiter sinkender Strom durch den ersten Transistor) weist auf ein positives hin Beziehung zwischen Ausgang (gesteuerter Strom) und Eingang (Steuerstrom durch die Basen der Transistoren).

Die resultierende Kurve im Diagramm ist klassisch hysteretisch:Wenn das Eingangssignal (Spannung) erhöht und verringert wird, folgt der Ausgang (Strom) nicht dem gleichen Weg nach unten wie nach oben:(Abbildung unten)

Einfach ausgedrückt, die Shockley-Diode neigt dazu, nach dem Einschalten eingeschaltet zu bleiben und nach dem Ausschalten ausgeschaltet zu bleiben. Kein „Zwischen“- oder „Aktiv“-Modus in seinem Betrieb:Es ist ein reines Ein- oder Ausschaltgerät, wie alle Thyristoren.

Besondere Bedingungen zu beachten

Für Shockley-Dioden und alle anderen Thyristor-Bauelemente, die auf dem Shockley-Diodenfundament aufgebaut sind, gelten einige spezielle Begriffe. Der erste ist der Begriff, der verwendet wird, um seinen "Ein"-Zustand zu beschreiben:verriegelt. Das Wort „Riegel“ erinnert an einen Türschlossmechanismus, der dazu neigt, die Tür nach dem Zudrücken geschlossen zu halten. Der Begriff Auslösen bezieht sich auf das Auslösen eines verriegelten Zustands. Um eine Shockley-Diode zum Latchen zu bringen, muss die angelegte Spannung erhöht werden, bis ein Breakover erreicht ist. Obwohl diese Aktion am besten als Transistordurchbruch beschrieben wird, wird stattdessen der Begriff Breakover verwendet, da das Ergebnis eher ein Transistorpaar in gegenseitiger Sättigung als eine Zerstörung des Transistors ist. Eine verriegelte Shockley-Diode wird in ihren nichtleitenden Zustand zurückgesetzt, indem der Strom durch sie verringert wird, bis ein Niederstromausfall auftritt.

Beachten Sie, dass Shockley-Dioden auf andere Weise als durch einen Breakover gezündet werden können:übermäßiger Spannungsanstieg oder du/dt. Wenn die an der Diode angelegte Spannung mit einer hohen Änderungsrate ansteigt, kann sie auslösen. Dies kann aufgrund der inhärenten Sperrschichtkapazitäten innerhalb der Transistoren ein Verriegeln (Einschalten) der Diode bewirken. Wie Sie sich vielleicht erinnern, wirken Kondensatoren Spannungsänderungen entgegen, indem sie Strom ziehen oder liefern. Wenn die an einer Shockley-Diode angelegte Spannung zu schnell ansteigt, ziehen diese winzigen Kapazitäten während dieser Zeit genug Strom, um das Transistorpaar zu aktivieren und beide einzuschalten. Normalerweise ist diese Form der Verriegelung unerwünscht und kann minimiert werden, indem Hochfrequenz (schnelle Spannungsanstiege) aus der Diode mit Reiheninduktivitäten und parallelen Widerstands-Kondensator-Netzwerken, den sogenannten Snubbern, herausgefiltert wird:(Abbildung unten)

Die Spannungsanstiegsgrenze einer Shockley-Diode wird als kritische Spannungsanstiegsrate bezeichnet. Hersteller stellen diese Spezifikation normalerweise für die von ihnen verkauften Geräte bereit.

RÜCKBLICK:

• Shockley-Dioden sind vierschichtige PNPN-Halbleiterbauelemente. Diese verhalten sich wie ein Paar miteinander verbundener PNP- und NPN-Transistoren.
• Wie alle Thyristoren neigen Shockley-Dioden dazu, nach dem Einschalten eingeschaltet (verriegelt) zu bleiben und nach dem Ausschalten ausgeschaltet zu bleiben.
• Um eine Shockley-Diode zu speichern, überschreiten Sie die Anoden-Kathoden-Knickspannung oder die kritische Anoden-Kathoden-Spannungsanstiegsrate.
• Um zu bewirken, dass eine Shockley-Diode nicht mehr leitet, reduzieren Sie den durch sie fließenden Strom auf einen Wert unter der Schwelle für einen niedrigen Stromausfall.