El diodo Shockley

Nuestra exploración de los tiristores comienza con un dispositivo llamado diodo de cuatro capas, también conocido como diodo PNPN, o diodo Shockley en honor a su inventor, William Shockley. Esto no debe confundirse con un diodo Schottky, ese dispositivo semiconductor de metal de dos capas conocido por su alta velocidad de conmutación. Una ilustración burda del diodo Shockley, que a menudo se ve en los libros de texto, es un sándwich de cuatro capas de material semiconductor P-N-P-N, Imagen siguiente.

Desafortunadamente, esta simple ilustración no hace nada para iluminar al espectador sobre cómo funciona o por qué. Considere una representación alternativa de la construcción del dispositivo en la Figura siguiente.

Mostrado así, parece ser un conjunto de transistores bipolares interconectados, uno PNP y el otro NPN. Dibujado usando símbolos esquemáticos estándar y respetando las concentraciones de dopaje de capa que no se muestran en la última imagen, el diodo Shockley se ve así (Figura siguiente)

Conectemos uno de estos dispositivos a una fuente de voltaje variable y veamos qué sucede.

Sin voltaje aplicado, por supuesto no habrá corriente. Como el voltaje aumenta inicialmente, todavía no habrá corriente porque ninguno de los transistores puede encenderse:ambos estarán en modo de corte. Para entender por qué ocurre esto, considere lo que se necesita para encender un transistor de unión bipolar:corriente a través de la unión base-emisor. Como puede ver en el diagrama, la corriente base a través del transistor inferior es controlada por el transistor superior, y la corriente base a través del transistor superior es controlada por el transistor inferior. En otras palabras, ninguno de los transistores puede encenderse hasta que se encienda el otro transistor. Lo que tenemos aquí, en términos vernáculos, se conoce como Catch-22.

Encendido y apagado del diodo Shockley

Entonces, ¿cómo puede un diodo Shockley conducir corriente, si sus transistores constituyentes se mantienen obstinadamente en un estado de corte? La respuesta está en el comportamiento de los transistores reales frente a los transistores ideales. Un transistor bipolar ideal nunca conducirá la corriente de colector si no fluye corriente de base, sin importar cuánto o poco voltaje apliquemos entre el colector y el emisor. Los transistores reales, por otro lado, tienen límites definidos a la cantidad de voltaje colector-emisor que cada uno puede soportar antes de que uno se descomponga y conduzca. Si dos transistores reales están conectados de esta manera para formar un diodo Shockley, cada uno conducirá si la batería aplica suficiente voltaje entre el ánodo y el cátodo para hacer que uno de ellos se descomponga. Una vez que un transistor se descompone y comienza a conducir, permitirá que la corriente de base pase a través del otro transistor, lo que hará que se encienda de manera normal, lo que luego permitirá que la corriente de base pase a través del primer transistor. El resultado final es que ambos transistores estarán saturados y ahora se mantendrán encendidos en lugar de apagados.

Entonces, podemos forzar un diodo Shockley para que se encienda aplicando suficiente voltaje entre el ánodo y el cátodo. Como hemos visto, esto inevitablemente hará que uno de los transistores se encienda, que luego enciende el otro transistor, finalmente “enganchando” ambos transistores donde cada uno tenderá a permanecer. Pero, ¿cómo conseguimos que los dos transistores se apaguen de nuevo? Incluso si el voltaje aplicado se reduce a un punto muy por debajo de lo que se necesitó para que el diodo Shockley conduzca, seguirá conduciendo porque ambos transistores ahora tienen corriente base para mantener una conducción regular y controlada. La respuesta a esto es reducir el voltaje aplicado a un punto mucho más bajo donde fluye muy poca corriente para mantener la polarización del transistor, en cuyo punto uno de los transistores se cortará, lo que luego detiene la corriente base a través del otro transistor, sellando ambos transistores en el Estado "apagado" como estaba cada uno antes de que se aplicara ningún voltaje.

Gráfico de voltaje frente a corriente en el circuito de un diodo Shockley

Si graficamos esta secuencia de eventos y graficamos los resultados en un gráfico I / V, la histéresis es evidente. Primero, observaremos el circuito a medida que la fuente de voltaje de CC (batería) se establece en voltaje cero:(Figura siguiente)

A continuación, aumentaremos constantemente el voltaje de CC. La corriente a través del circuito es cero o casi cero, ya que no se ha alcanzado el límite de ruptura para ninguno de los transistores.

Cuando se alcanza el límite de ruptura de voltaje de un transistor, comenzará a conducir la corriente del colector aunque todavía no haya pasado ninguna corriente de base. Normalmente, este tipo de tratamiento destruiría un transistor de unión bipolar, pero las uniones PNP que comprenden un diodo Shockley están diseñadas para soportar este tipo de abuso, similar a la forma en que se construye un diodo Zener para manejar la avería inversa sin sufrir daños. Por el bien de la ilustración, asumiré que el transistor inferior se descompone primero y envía corriente a través de la base del transistor superior:(Figura siguiente)

A medida que el transistor superior recibe corriente base, se enciende como se esperaba. Esta acción permite que el transistor inferior conduzca normalmente, los dos transistores se "sellan" en el estado "encendido". La corriente completa se ve rápidamente en el circuito:(Figura siguiente)

La retroalimentación positiva mencionada anteriormente en este capítulo es claramente evidente aquí. Cuando un transistor se descompone, permite que la corriente atraviese la estructura del dispositivo. Esta corriente puede verse como la señal de "salida" del dispositivo. Una vez que se establece una corriente de salida, funciona para mantener ambos transistores en saturación, asegurando así la continuación de una corriente de salida sustancial. En otras palabras, una corriente de salida "retroalimenta" positivamente a la entrada (corriente de base del transistor) para mantener ambos transistores en el estado "encendido", reforzándose (o regenerándose) a sí mismo.

Con ambos transistores mantenidos en un estado de saturación con la presencia de una amplia corriente de base, cada uno continuará conduciendo incluso si el voltaje aplicado se reduce en gran medida desde el nivel de ruptura. El efecto de la retroalimentación positiva es mantener ambos transistores en un estado de saturación a pesar de la pérdida del estímulo de entrada (el alto voltaje original necesario para romper un transistor y causar una corriente base a través del otro transistor):(Figura siguiente)

Sin embargo, si la fuente de voltaje de CC se reduce demasiado, el circuito eventualmente llegará a un punto en el que no hay suficiente corriente para mantener ambos transistores en saturación. A medida que un transistor pasa cada vez menos corriente de colector, reduce la corriente de base para el otro transistor, reduciendo así la corriente de base para el primer transistor. El círculo vicioso continúa rápidamente hasta que ambos transistores caen en el punto de corte:(Imagen siguiente)

Aquí, la retroalimentación positiva está nuevamente en funcionamiento:el hecho de que el ciclo de causa / efecto entre ambos transistores es "vicioso" (una disminución en la corriente a través de uno funciona para disminuir la corriente a través del otro, disminuyendo aún más la corriente a través del primer transistor) indica un positivo relación entre la salida (corriente controlada) y la entrada (que controla la corriente a través de las bases de los transistores).

La curva resultante en el gráfico es clásicamente histerética:a medida que la señal de entrada (voltaje) aumenta y disminuye, la salida (corriente) no sigue la misma ruta hacia abajo que hacia arriba:(Figura siguiente)

En términos simples, el diodo Shockley tiende a permanecer encendido una vez que se enciende y permanecer apagado una vez que se apaga. Sin modo "intermedio" o "activo" en su funcionamiento:es un dispositivo puramente encendido o apagado, como todos los tiristores.

Condiciones especiales a tener en cuenta

Se aplican algunos términos especiales a los diodos Shockley y todos los demás dispositivos de tiristores construidos sobre la base del diodo Shockley. Primero está el término utilizado para describir su estado "encendido":bloqueado. La palabra "pestillo" es una reminiscencia de un mecanismo de bloqueo de puerta, que tiende a mantener la puerta cerrada una vez que se ha cerrado. El término disparo se refiere al inicio de un estado bloqueado. Para que un diodo Shockley se enganche, se debe aumentar el voltaje aplicado hasta que se logre la ruptura. Aunque esta acción se describe mejor como ruptura del transistor, el término ruptura se usa en su lugar porque el resultado es un par de transistores en saturación mutua en lugar de la destrucción del transistor. Un diodo Shockley bloqueado se restablece a su estado no conductor reduciendo la corriente a través de él hasta que se produce una caída de corriente baja.

Tenga en cuenta que los diodos Shockley se pueden disparar de una manera diferente a la ruptura:aumento excesivo de voltaje o dv / dt. Si el voltaje aplicado a través del diodo aumenta a una alta tasa de cambio, puede dispararse. Esto puede provocar el bloqueo (encendido) del diodo debido a las capacitancias de unión inherentes dentro de los transistores. Los condensadores, como recordará, se oponen a los cambios de voltaje al extraer o suministrar corriente. Si el voltaje aplicado a través de un diodo Shockley aumenta a un ritmo demasiado rápido, esas diminutas capacitancias consumirán suficiente corriente durante ese tiempo para activar el par de transistores, encendiéndolos a ambos. Por lo general, esta forma de enclavamiento no es deseable y se puede minimizar filtrando la alta frecuencia (aumentos rápidos de voltaje) del diodo con inductores en serie y redes de resistor-capacitor en paralelo llamadas amortiguadores:(Figura siguiente)

El límite de aumento de voltaje de un diodo Shockley se conoce como la tasa crítica de aumento de voltaje. Los fabricantes suelen proporcionar esta especificación para los dispositivos que venden.

REVISAR:

• Los diodos Shockley son dispositivos semiconductores PNPN de cuatro capas. Estos se comportan como un par de transistores PNP y NPN interconectados.
• Como todos los tiristores, los diodos Shockley tienden a permanecer encendidos una vez que se encienden (enganchados) y permanecen apagados una vez que se apagan.
• Para enganchar un diodo Shockley exceda el voltaje de ruptura de ánodo a cátodo, o exceda la tasa crítica de aumento de voltaje de ánodo a cátodo.
• Para hacer que un diodo Shockley deje de conducir, reduzca la corriente que lo atraviesa a un nivel por debajo de su umbral de caída de corriente baja.