O diodo Shockley

Nossa exploração de tiristores começa com um dispositivo chamado diodo de quatro camadas, também conhecido como diodo PNPN, ou diodo Shockley em homenagem a seu inventor, William Shockley. Isso não deve ser confundido com um diodo Schottky, aquele dispositivo semicondutor de metal de duas camadas conhecido por sua alta velocidade de comutação. Uma ilustração grosseira do diodo Shockley, freqüentemente vista em livros didáticos, é um sanduíche de quatro camadas de material semicondutor P-N-P-N, Figura abaixo.



Infelizmente, esta ilustração simples não ajuda a esclarecer o visualizador sobre como funciona ou por quê. Considere uma renderização alternativa da construção do dispositivo na Figura abaixo.



Mostrado assim, parece ser um conjunto de transistores bipolares interconectados, um PNP e o outro NPN. Desenhado usando símbolos esquemáticos padrão e respeitando as concentrações de dopagem da camada não mostradas na última imagem, o diodo Shockley se parece com este (Figura abaixo)



Vamos conectar um desses dispositivos a uma fonte de voltagem variável e ver o que acontece.



Sem tensão aplicada, é claro que não haverá corrente. Conforme a tensão é inicialmente aumentada, ainda não haverá corrente porque nenhum transistor é capaz de ligar:ambos estarão no modo de corte. Para entender por que isso ocorre, considere o que é necessário para ligar um transistor de junção bipolar:corrente através da junção base-emissor. Como você pode ver no diagrama, a corrente de base através do transistor inferior é controlada pelo transistor superior, e a corrente de base através do transistor superior é controlada pelo transistor inferior. Em outras palavras, nenhum transistor pode ligar até que o outro transistor ligue. O que temos aqui, em termos vernáculos, é conhecido como Catch-22.

Ligar e desligar o diodo Shockley

Então, como pode um diodo Shockley conduzir corrente, se seus transistores constituintes teimosamente se mantêm em um estado de corte? A resposta está no comportamento dos transistores reais em oposição aos transistores ideais. Um transistor bipolar ideal nunca conduzirá corrente de coletor se nenhuma corrente de base fluir, não importa quanta ou pouca voltagem aplicamos entre o coletor e o emissor. Os transistores reais, por outro lado, têm limites definidos de quanta tensão coletor-emissor cada um pode suportar antes de quebrar e conduzir. Se dois transistores reais forem conectados dessa maneira para formar um diodo Shockley, cada um conduzirá se tensão suficiente for aplicada pela bateria entre o ânodo e o cátodo para causar a quebra de um deles. Uma vez que um transistor quebra e começa a conduzir, ele permitirá que a corrente de base passe pelo outro transistor, fazendo com que ele ligue de maneira normal, o que então permite que a corrente de base passe pelo primeiro transistor. O resultado final é que ambos os transistores ficarão saturados, mantendo um ao outro ligado em vez de desligado.

Portanto, podemos forçar um diodo Shockley a ligar aplicando voltagem suficiente entre o ânodo e o cátodo. Como vimos, isso inevitavelmente fará com que um dos transistores ligue, que então liga o outro transistor, por fim “travando” ambos os transistores onde cada um tenderá a permanecer. Mas como fazemos agora com que os dois transistores desliguem novamente? Mesmo que a tensão aplicada seja reduzida a um ponto bem abaixo do necessário para conduzir o diodo Shockley, ele continuará conduzindo porque os dois transistores agora têm corrente de base para manter a condução regular e controlada. A resposta para isso é reduzir a tensão aplicada a um ponto muito mais baixo, onde muito pouca corrente flui para manter a polarização do transistor, ponto no qual um dos transistores irá desligar, o que então interrompe a corrente de base através do outro transistor, selando ambos os transistores no Estado “desligado” como cada um estava antes de qualquer tensão ser aplicada.

Gráfico de tensão versus corrente em um circuito de diodo Shockley

Se representarmos graficamente esta sequência de eventos e representarmos os resultados em um gráfico I / V, a histerese é evidente. Primeiro, vamos observar o circuito conforme a fonte de tensão DC (bateria) é configurada para tensão zero:(Figura abaixo)



Em seguida, aumentaremos continuamente a tensão DC. A corrente através do circuito é igual ou quase zero, pois o limite de ruptura não foi atingido para nenhum dos transistores.



Quando o limite de ruptura de tensão de um transistor é alcançado, ele começará a conduzir corrente de coletor, embora nenhuma corrente de base tenha passado por ele ainda. Normalmente, esse tipo de tratamento destruiria um transistor de junção bipolar, mas as junções PNP que compreendem um diodo Shockley são projetadas para suportar esse tipo de abuso, semelhante à forma como um diodo Zener é construído para lidar com a ruptura reversa sem sofrer danos. Para fins de ilustração, assumirei que o transistor inferior quebra primeiro, enviando corrente através da base do transistor superior:(Figura abaixo)



Conforme o transistor superior recebe a corrente de base, ele liga conforme o esperado. Esta ação permite que o transistor inferior conduza normalmente, os dois transistores se “selando” no estado “ligado”. A corrente total é vista rapidamente no circuito:(Figura abaixo)



O feedback positivo mencionado anteriormente neste capítulo é claramente evidente aqui. Quando um transistor quebra, ele permite a corrente através da estrutura do dispositivo. Esta corrente pode ser vista como o sinal de “saída” do dispositivo. Uma vez que uma corrente de saída é estabelecida, ele funciona para manter ambos os transistores em saturação, garantindo assim a continuação de uma corrente de saída substancial. Em outras palavras, uma corrente de saída “realimenta” positivamente a entrada (corrente de base do transistor) para manter ambos os transistores no estado “ligado”, reforçando assim (ou regenerando) a si mesma.

Com ambos os transistores mantidos em um estado de saturação com a presença de ampla corrente de base, cada um continuará a conduzir mesmo se a tensão aplicada for muito reduzida a partir do nível de ruptura. O efeito do feedback positivo é manter ambos os transistores em um estado de saturação, apesar da perda do estímulo de entrada (a alta tensão original necessária para quebrar um transistor e causar uma corrente de base através do outro transistor):(Figura abaixo)



Se a fonte de tensão DC for reduzida demais, no entanto, o circuito acabará atingindo um ponto onde não há corrente suficiente para sustentar ambos os transistores em saturação. Como um transistor passa cada vez menos corrente de coletor, ele reduz a corrente de base para o outro transistor, reduzindo assim a corrente de base para o primeiro transistor. O ciclo vicioso continua rapidamente até que ambos os transistores caiam no corte:(Figura abaixo)



Aqui, o feedback positivo está novamente em ação:o fato de que o ciclo de causa / efeito entre os dois transistores é "vicioso" (uma diminuição na corrente através de um atua para diminuir a corrente através do outro, diminuindo ainda mais a corrente através do primeiro transistor) indica um positivo relação entre saída (corrente controlada) e entrada (corrente de controle através das bases dos transistores).

A curva resultante no gráfico é classicamente histérica:conforme o sinal de entrada (voltagem) é aumentado e diminuído, a saída (corrente) não segue o mesmo caminho descendo como subindo:(Figura abaixo)



Em termos simples, o diodo Shockley tende a ficar ligado quando é ligado e a ficar desligado quando é desligado. Nenhum modo “intermediário” ou “ativo” em sua operação:é um dispositivo puramente ligado ou desligado, como todos os tiristores.

Termos especiais a serem observados

Alguns termos especiais se aplicam aos diodos Shockley e todos os outros dispositivos tiristores construídos sobre a base do diodo Shockley. O primeiro é o termo usado para descrever seu estado “ligado”:​​travado. A palavra “trava” é uma reminiscência de um mecanismo de fechadura de porta, que tende a manter a porta fechada depois de empurrada. O termo disparo refere-se ao início de um estado travado. Para fazer um diodo Shockley travar, a tensão aplicada deve ser aumentada até que o breakover seja atingido. Embora essa ação seja melhor descrita como quebra do transistor, o termo breakover é usado porque o resultado é um par de transistores em saturação mútua ao invés da destruição do transistor. Um diodo Shockley travado é reconfigurado de volta ao seu estado não condutor reduzindo a corrente através dele até que ocorra uma queda de corrente baixa.

Observe que os diodos Shockley podem ser disparados de uma maneira diferente de breakover:aumento excessivo de tensão ou dv / dt. Se a tensão aplicada ao diodo aumentar em uma alta taxa de mudança, ele pode disparar. Isso pode causar travamento (ligar) do diodo devido às capacitâncias de junção inerentes aos transistores. Capacitores, como você deve se lembrar, opõem-se às mudanças de voltagem drenando ou fornecendo corrente. Se a tensão aplicada através de um diodo Shockley aumentar muito rápido, essas minúsculas capacitâncias irão consumir corrente suficiente durante esse tempo para ativar o par de transistores, ligando os dois. Normalmente, esta forma de travamento é indesejável e pode ser minimizada pela filtragem de alta frequência (aumento rápido de tensão) do diodo com indutores em série e redes de resistor-capacitor paralelas chamadas de amortecedores:(Figura abaixo)



O limite de aumento de tensão de um diodo Shockley é conhecido como taxa crítica de aumento de tensão. Os fabricantes geralmente fornecem esta especificação para os dispositivos que vendem.

REVER:

• Os diodos Shockley são dispositivos semicondutores PNPN de quatro camadas. Eles se comportam como um par de transistores PNP e NPN interconectados.
• Como todos os tiristores, os diodos Shockley tendem a permanecer ligados quando ligados (travados) e desligados quando desligados.
• Para travar um diodo Shockley exceda a voltagem de ruptura ânodo para cátodo ou exceda a taxa crítica de aumento de voltagem do ânodo para cátodo.
• Para fazer com que um diodo Shockley pare de conduzir, reduza a corrente que passa por ele a um nível abaixo de seu limite de queda de corrente baixa.