Динистор (диод Шокли)

Добавлено 23 сентября 2018 в 12:06
Образцы диодов Шокли 1950-х годов с завода Пало-Альто Шокли
Образцы диодов Шокли 1950-х годов с завода Пало-Альто Шокли

Наше исследование тиристоров начинается с устройства, называемого четырехслойным диодом, также известного как диод PNPN, динистор или диод Шокли по имени его изобретателя Уильяма Шокли. Не следует путать его с диодом Шоттки, двухслойным металло-полупроводниковым устройством, известным своей высокой скоростью. Грубая иллюстрация динистора (диода Шокли), часто встречающаяся в учебниках, представляется собой четырехслойный сэндвич P-N-P-N из полупроводникового материала (рисунок ниже).

4-слойный диод Шокли
4-слойный диод Шокли (динистор)

К сожалению, эта простая иллюстрация не делает ничего, чтобы просветить читателя о том, как и почему это работает. Рассмотрим альтернативный вариант конструкции устройства на рисунке ниже.

Транзисторный эквивалент диода Шокли
Транзисторный эквивалент динистора (диода Шокли)

Как показано на рисунке, он представляет собой набор взаимосвязанных биполярных транзисторов, один PNP, а другой NPN. При использовании стандартных условных обозначений и учете концентрации легирования слоев, не показанной на последнем рисунке, динистор (диод Шокли) будет выглядеть следующим образом (рисунок ниже).

Диод Шокли: физическая диаграмма, эквивалентная схема и условное обозначение
Динистор (диод Шокли): физическая диаграмма, эквивалентная схема и условное обозначение

Давайте подключим одно из этих устройств к источнику изменяемого напряжения и посмотрим, что произойдет (рисунок ниже).

Эквивалентная схема диода Шокли с поданным питанием
Эквивалентная схема динистора (диода Шокли) с поданным питанием

При отсутствии напряжения, конечно, тока не будет. По мере первоначального роста напряжения, ток по-прежнему будет отсутствовать, поскольку ни один из транзисторов не может открыться: они оба будут в режиме отсечки. Чтобы понять, почему это так, рассмотрим, что нужно, чтобы открыть биполярный транзистор: ток через переход база-эмиттер. Как вы можете видеть на схеме, ток базы нижнего транзистора управляется верхним транзистором, а ток базы верхнего транзистора управляется нижним транзистором. Другими словами, ни один транзистор не может открыться, пока не откроется другой транзистор. То, что мы здесь имеем, в простых терминах называется уловка 22.

Итак, как может динистор (диод Шокли) когда-либо проводить ток, если составляющие его транзисторы упрямо сохраняют себя в состоянии отсечки? Ответ заключается в поведении реальных транзисторов, а не идеальных. Идеальный биполярный транзистор никогда не будет проводить ток коллектора, если отсутствует ток базы, независимо от того, как много или как мало напряжения мы прикладываем между коллектором и эмиттером. Реальные транзисторы, наоборот, имеют определенные ограничения на то, насколько большое напряжение коллектор-эмиттер каждый из них может выдержать до того, как произойдет пробой, и они начнут проводить ток. Если два реальных транзистора подключены таким образом, чтобы сформировать динистор (диод Шокли), каждый из них будет проводить ток, если напряжение батареи, прикладываемое между анодом и катодом, будет достаточным, чтобы вызвать пробой одного из них. Как только один из транзисторов пробьет и начнет проводить ток, он будет пропускать ток базы другого транзистора, заставляя его открыться нормальным способом, а тот затем будет пропускать ток базы первого транзистора. Конечным результатом является то, что оба транзистора будут в состоянии насыщения, поддерживая друг друга открытыми, а не закрытыми.

Таким образом, мы можем заставить динистор (диод Шокли) открыться, приложив достаточное напряжение между анодом и катодом. Как мы видели, это неизбежно приведет к открыванию одного из транзисторов, который затем откроет другой транзистор, в конечном итоге «фиксируя» оба транзистора в открытом состоянии, в котором каждый из них будет стремиться оставаться. Но как теперь нам снова закрыть эти два транзистора? Даже если приложенное напряжение уменьшается до уровня, значительно ниже того, что требуется для получения проводимости динистора (диода Шокли), он будет оставаться проводящим, потому что у обоих транзисторов теперь есть ток базы для поддержания обычной контролируемой проводимости. Ответ на это заключается в том, чтобы уменьшить приложенное напряжение до гораздо более низкой точки, при которой протекает ток, слишком маленький, чтобы поддерживать смещение транзистора, и в этот момен один из транзисторов закроется, что затем остановит ток базы другого транзистора, запечатывая оба транзистора в состоянии «закрыт», в котором каждый из них был до того, как любое напряжение было вообще применено.

Если мы нарисуем эту последовательность событий и построим результаты на графике I/V, то гистерезис будет очевиден. Сперва мы будем наблюдать схему, когда на источнике постоянного напряжения установлено нулевое напряжение (рисунок ниже).

Прикладывается нулевое напряжение; ток равен нулю
Прикладывается нулевое напряжение; ток равен нулю

Затем мы будем постоянно увеличивать постоянное напряжение. Ток в цепи равен или близок к нулю, поскольку порог пробоя ни для одного из транзисторов не был достигнут (рисунок ниже)

Прикладывается некоторое напряжение; тока всё еще нет
Прикладывается некоторое напряжение; тока всё еще нет

Когда порог напряжения пробоя одного транзистора будет достигнут, он начнет пропускать ток коллектора, даже несмотря на то, что ток через базу у него еще не протекает. Обычно такой подход разрушал бы биполярный транзистор, но PNP-переходы, образующие динистор (диод Шокли), спроектированы таким образом, чтобы подобное злоупотребление было похоже на то, как построен стабилитрон для обработки обратного пробоя без необратимых повреждений. Для иллюстрации я предполагаю, что пробивается сначала нижний транзистор, посылая ток через базу верхнего транзистора (рисунок ниже).

Прикладывается большее напряжение; нижний транзистор пробит
Прикладывается большее напряжение; нижний транзистор пробит

Когда верхний транзистор получает ток базы, он открывается, как и ожидалось. Это поведение позволяет нижнему транзистору проводить ток в нормальном режиме, оба транзистора «фиксируют» себя в состоянии «открыт». В цепи быстро нарастает полный ток (рисунок ниже).

Транзисторы теперь в полностью проводящем режиме
Транзисторы теперь в полностью проводящем режиме

Положительная обратная связь, упомянутая ранее в этой главе, здесь видна явно. Когда один транзистор пробивается, он пропускает ток через структуру устройства. Этот ток можно рассматривать как «выходной» сигнал устройства. Как только выходной ток установится, он работает, чтобы удерживать оба транзистора в насыщении, тем самым обеспечивая продолжение протекания значительного выходного тока. Другими словами, выходной ток положительно «подается обратно» на вход (ток базы транзистора), чтобы поддерживать оба транзистора в состоянии «открыт», тем самым усиливая (или регенерируя) себя.

Поскольку оба транзистора поддерживаются в состоянии насыщения при наличии достаточного тока базы, каждый из них будет продолжать работать, даже если приложенное напряжение уменьшится значительно ниже уровня пробоя. Эффект положительной обратной связи заключается в том, чтобы удерживать оба транзистора в состоянии насыщения, несмотря на потерю входного фактора (изначально, высокое напряжение, необходимое для пробоя одного транзистора и появления тока базы другого транзистора) (рисунок ниже).

Ток поддерживается, даже когда напряжение уменьшается
Ток поддерживается, даже когда напряжение уменьшается

Если напряжение на источнике постоянного напряжения занижено слишком сильно, схема в конечном итоге достигнет точки, в которой недостаточно тока для поддержания обоих транзисторов в насыщении. Поскольку один транзистор пропускает меньше и меньше тока коллектора, он уменьшает ток базы для другого транзистора, тем самым уменьшая ток базы для себя. Порочный цикл продолжается быстро, пока оба транзистора не упадут в режим отсечки (рисунок ниже).

Если напряжение падает слишком низко, оба транзистора закрываются
Если напряжение падает слишком низко, оба транзистора закрываются

Здесь снова проявляется положительная обратная связь: тот факт, что цикл причин/эффектов между двумя транзисторами является «порочным» (уменьшение тока через один транзистор работает на уменьшение тока через другой транзистор, вызывающее уменьшение тока через первый транзистор) указывает на положительную связь между выходом (управляемым током) и входом (управляющим током через базы транзисторов).

Результирующая кривая на графике является классически гистерезисной: по мере увеличения или уменьшения входного сигнала (напряжения) выходной сигнал (ток) не следует по тому же пути, двигаясь внизу, пока входной сигнал идет вверх (рисунок ниже).

Кривая гистерезиса
Кривая гистерезиса

Проще говоря, динистор (диод Шокли) имеет тенденцию оставаться открытым после открывания и оставаться закрытым после закрывания. В его работе нет «промежуточного» или «активного» режима: это чисто открытое или закрытое устройство, как и все тиристоры.

К динисторам (диодам Шокли) и всем другим тиристорным устройствам, основанным на диоде Шокли, применимы несколько особых терминов. Во-первых, термин, используемый для описания состояния «открыт»: отперт. Слова «заперт/отперт» напоминают механизм дверного замка, который, как правило, сохраняет дверь закрытой после ее запирания. Термин отпирание относится к инициированию процесса включения. Чтобы заставить динистор (диод Шокли) отпереться, приложенное напряжение должно быть увеличено до достижения напряжения открывания. Хотя это поведение лучше всего описывается как пробой транзистора, вместо этого используется термин переключение, потому что результатом является пара транзисторов с взаимным насыщением, а не разрушение транзистора. Отпертый динистор (диод Шокли) снова возвращается в свое непроводящее состояние при уменьшении тока через него, когда достигается минимальный ток удержания.

Обратите внимание, что динисторы (диоды Шокли) могут запускаться другим способом, кроме переключения: быстрое повышение напряжения, или dv/dt. Если приложенное напряжение на диоде увеличивается с высокой скоростью изменения, динистор может сработать. Это может привести к отпиранию (включению) диода из-за свойственных переходам емкостей внутри транзисторов. Конденсаторы, как вы помните, противостоят изменениям напряжения путем потребления и отдачи тока. Если приложенное напряжения на динисторе (диоде Шокли) поднимается со слишком большой скоростью, эти крошечные емкости будут в это время потреблять достаточное количество тока, чтобы активировать пару транзисторов, открыв их обоих. Обычно эта форма открывания нежелательна и может быть сведена к минимуму путем фильтрации высоких частот (быстрых скачков напряжения) от диода с помощью последовательных индуктивностей и параллельных цепей резистор-конденсатор, называемых демпферами (рисунок ниже).

И последовательная индуктивность, и схема демпфера резистор-конденсатор помогают минимизировать воздействие резко возрастающего напряжения на диод Шокли
И последовательная индуктивность, и схема демпфера резистор-конденсатор помогают минимизировать воздействие резко возрастающего напряжения на динистор (диод Шокли)

Предел повышения напряжения динистора (диода Шокли) называется критической скоростью повышения напряжения. Производители обычно предоставляют эту характеристику для продаваемых ими устройств.

Резюме

  • Динисторы (или диоды Шокли) представляют собой четырехслойные полупроводниковые приборы PNPN. Они ведут себя как пара взаимосвязанных транзисторов PNP и NPN.
  • Как и все тиристоры, динисторы (диоды Шокли), как правило, имеют склонность оставаться включенными (отпертыми) после включения или выключенными (запертыми) после выключения.
  • Чтобы отпереть динистор (диод Шокли), необходимо превысить напряжение анод-катод до уровня открывания или превысить критическую скорость повышения напряжения анод-катод.
  • Чтобы заставить динистор (диод Шокли) прекратить проводить ток, необходимо уменьшить ток, проходящий через него, до уровня ниже его минимального тока удержания.

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке