Shockley 다이오드

사이리스터에 대한 우리의 탐색은 PNPN 다이오드 또는 발명자인 William Shockley의 이름을 따서 쇼클리 다이오드라고도 하는 4층 다이오드라고 하는 장치에서 시작됩니다. 이것은 높은 스위칭 속도로 알려진 2층 금속 반도체 장치인 쇼트키 다이오드와 혼동되어서는 안 됩니다. 교과서에서 자주 볼 수 있는 Shockley 다이오드의 대략적인 그림은 P-N-P-N 반도체 재료의 4층 샌드위치입니다(아래 그림).

불행히도, 이 간단한 삽화는 그것이 어떻게 작동하는지 또는 왜 그런지에 대해 시청자를 계몽하지 않습니다. 아래 그림에서 장치 구성의 대체 렌더링을 고려하십시오.

이와 같이 표시되는 상호 연결된 바이폴라 트랜지스터 세트, 즉 하나는 PNP이고 다른 하나는 NPN으로 보입니다. 표준 회로도 기호를 사용하여 그려지고 마지막 이미지에 표시되지 않은 레이어 도핑 농도를 고려하면 Shockley 다이오드는 다음과 같습니다(아래 그림)

이 장치 중 하나를 가변 전압 소스에 연결하고 어떤 일이 일어나는지 봅시다.

전압이 가해지지 않으면 당연히 전류가 흐르지 않습니다. 전압이 초기에 증가함에 따라 두 트랜지스터 모두 켤 수 없기 때문에 여전히 전류가 흐르지 않습니다. 둘 다 차단 모드에 있게 됩니다. 그 이유를 이해하려면 바이폴라 접합 트랜지스터를 켜는 데 필요한 것, 즉 베이스-이미터 접합을 통한 전류를 고려하십시오. 다이어그램에서 볼 수 있듯이 하위 트랜지스터를 통한 기본 전류는 상위 트랜지스터에 의해 제어되고 상위 트랜지스터를 통한 기본 전류는 하위 트랜지스터에 의해 제어됩니다. 즉, 다른 트랜지스터가 켜질 때까지 어느 트랜지스터도 켜지지 않습니다. 여기에서 우리가 가지고 있는 것은 현지 용어로 Catch-22로 알려져 있습니다.

Shockley 다이오드 켜고 끄기

그렇다면 구성 트랜지스터가 차단 상태를 완고하게 유지한다면 Shockley 다이오드가 어떻게 전류를 전도할 수 있습니까? 답은 이상적인 트랜지스터가 아닌 실제 트랜지스터의 동작에 있습니다. 이상적인 바이폴라 트랜지스터는 기본 전류가 흐르지 않으면 콜렉터와 이미 터 사이에 적용되는 전압의 양에 관계없이 콜렉터 전류를 전도하지 않습니다. 반면에 실제 트랜지스터는 고장나서 전도되기 전에 각각이 견딜 수 있는 컬렉터-이미터 전압에 대한 명확한 한계가 있습니다. 두 개의 실제 트랜지스터가 이러한 방식으로 연결되어 Shockley 다이오드를 형성하는 경우 양극과 음극 사이에 배터리에 의해 충분한 전압이 인가되어 그 중 하나가 고장날 정도로 각 트랜지스터는 전도됩니다. 한 트랜지스터가 고장나서 전도되기 시작하면 다른 트랜지스터를 통해 기본 전류를 허용하여 정상적인 방식으로 켜지도록 한 다음 첫 번째 트랜지스터를 통해 기본 전류를 허용합니다. 최종 결과는 두 트랜지스터가 모두 포화 상태가 되어 서로가 꺼지지 않고 켜진 상태로 유지된다는 것입니다.

따라서 양극과 음극 사이에 충분한 전압을 인가하여 Shockley 다이오드를 강제로 켤 수 있습니다. 우리가 보았듯이, 이것은 필연적으로 트랜지스터 중 하나를 켜고 다른 트랜지스터를 켜고 궁극적으로 각 트랜지스터가 남아 있는 위치에 두 트랜지스터를 모두 "래치"합니다. 그러나 이제 두 개의 트랜지스터가 다시 꺼지도록 하려면 어떻게 해야 합니까? 적용된 전압이 Shockley 다이오드 전도에 필요한 것보다 훨씬 낮은 지점으로 감소하더라도 두 트랜지스터 모두 이제 규칙적이고 제어된 전도를 유지하기 위한 기본 전류를 갖기 때문에 전도 상태를 유지합니다. 이에 대한 대답은 트랜지스터 바이어스를 유지하기 위해 너무 적은 전류가 흐르는 훨씬 더 낮은 지점으로 인가된 전압을 줄이는 것입니다. 이 지점에서 트랜지스터 중 하나가 차단되고 다른 트랜지스터를 통한 기본 전류가 중단되어 두 트랜지스터를 모두 밀봉합니다. 전압이 전혀 적용되기 전의 "오프" 상태입니다.

Shockley 다이오드 회로의 전압 대 전류 도표

이 일련의 이벤트를 그래프로 표시하고 I/V 그래프에 결과를 표시하면 히스테리시스가 분명합니다. 먼저 DC 전압 소스(배터리)가 0 전압으로 설정되어 있을 때 회로를 관찰합니다. (아래 그림)

다음으로 DC 전압을 꾸준히 올려보겠습니다. 두 트랜지스터 모두 항복 한계에 도달하지 않았기 때문에 회로를 통과하는 전류는 거의 0에 가깝습니다.

한 트랜지스터의 항복 전압 한계에 도달하면 아직 베이스 전류가 흐르지 않았더라도 컬렉터 전류를 전도하기 시작합니다. 일반적으로 이러한 종류의 처리는 바이폴라 접합 트랜지스터를 파괴하지만 Shockley 다이오드를 포함하는 PNP 접합은 손상을 유지하지 않고 역방향 항복을 처리하도록 제너 다이오드가 구축되는 방식과 유사한 이러한 종류의 남용을 수행하도록 설계되었습니다. 설명을 위해 하단 트랜지스터가 먼저 고장나서 상단 트랜지스터의 베이스를 통해 전류를 보낸다고 가정하겠습니다. (아래 그림)

상위 트랜지스터가 베이스 전류를 받으면 예상대로 켜집니다. 이 동작은 하위 트랜지스터가 정상적으로 작동하도록 하고 두 개의 트랜지스터가 "켜짐" 상태에서 스스로를 "밀봉"합니다. 전체 전류는 회로에서 빠르게 볼 수 있습니다. (아래 그림)

이 장의 앞부분에서 언급한 긍정적인 피드백은 여기에서 분명합니다. 하나의 트랜지스터가 고장나면 장치 구조를 통해 전류가 흐르게 됩니다. 이 전류는 장치의 "출력" 신호로 볼 수 있습니다. 출력 전류가 설정되면 두 트랜지스터를 모두 포화 상태로 유지하여 상당한 출력 전류가 계속되도록 합니다. 즉, 출력 전류는 입력(트랜지스터 기본 전류)에 양의 값으로 "피드백"하여 두 트랜지스터를 모두 "켜짐" 상태로 유지하여 자체를 강화(또는 재생)합니다.

충분한 기본 전류가 있는 상태에서 두 트랜지스터가 포화 상태로 유지되면 인가 전압이 항복 수준에서 크게 감소하더라도 각각은 계속 전도됩니다. 포지티브 피드백의 효과는 입력 자극의 손실에도 불구하고 두 트랜지스터를 포화 상태로 유지하는 것입니다(하나의 트랜지스터를 분해하고 다른 트랜지스터를 통해 기본 전류를 발생시키는 데 필요한 원래의 고전압):(아래 그림)

그러나 DC 전압 소스를 너무 낮추면 회로는 결국 두 트랜지스터를 포화 상태로 유지하기에 충분한 전류가 없는 지점에 도달하게 됩니다. 하나의 트랜지스터가 점점 더 적은 컬렉터 전류를 통과함에 따라 다른 트랜지스터의 베이스 전류가 감소하여 첫 번째 트랜지스터의 베이스 전류가 감소합니다. 두 트랜지스터가 모두 차단될 때까지 악순환이 빠르게 계속됩니다. (아래 그림)

여기에서 포지티브 피드백이 다시 작동합니다. 두 트랜지스터 사이의 인과 관계가 "악순환"된다는 사실(하나를 통한 전류 감소는 다른 하나를 통한 전류 감소로 작용하고 첫 번째 트랜지스터를 통한 전류 추가 감소)은 긍정적임을 나타냅니다. 출력(제어 전류)과 입력(트랜지스터 베이스를 통한 제어 전류) 간의 관계.

그래프의 결과 곡선은 고전적으로 이력 현상입니다. 입력 신호(전압)가 증가 및 감소함에 따라 출력(전류)은 상승할 때와 동일한 경로를 따라 내려가지 않습니다. (아래 그림)

간단히 말해서, Shockley 다이오드는 켜지면 켜져 있고 꺼지면 꺼지는 경향이 있습니다. 작동에 "중간" 또는 "활성" 모드가 없습니다. 모든 사이리스터와 마찬가지로 순수한 온 또는 오프 장치입니다.

참고할 특별 약관

Shockley 다이오드 및 Shockley 다이오드 기반에 구축된 기타 모든 사이리스터 장치에는 몇 가지 특수 용어가 적용됩니다. 첫 번째는 "켜짐" 상태를 설명하는 데 사용되는 용어입니다. 래치(latch)라는 단어는 도어 잠금 장치를 연상시키는 것으로, 한 번 밀면 문이 닫히지 않도록 유지하는 경향이 있습니다. 발사라는 용어는 래치 상태의 시작을 나타냅니다. Shockley 다이오드가 래치되도록 하려면 인가된 전압이 브레이크오버에 도달할 때까지 증가해야 합니다. 이 동작은 트랜지스터 고장으로 가장 잘 설명되지만 결과는 트랜지스터의 파괴가 아니라 상호 포화 상태에 있는 한 쌍의 트랜지스터이기 때문에 대신 브레이크오버라는 용어가 사용됩니다. 래치된 Shockley 다이오드는 저전류 드롭아웃이 발생할 때까지 통과하는 전류를 감소시켜 비전도 상태로 다시 설정됩니다.

Shockley 다이오드는 브레이크오버가 아닌 다른 방식으로 작동될 수 있습니다:과도한 전압 상승 또는 dv/dt. 다이오드에 적용된 전압이 높은 변화율로 증가하면 트리거될 수 있습니다. 이것은 트랜지스터 내의 고유한 접합 커패시턴스로 인해 다이오드의 래칭(켜짐)을 유발할 수 있습니다. 기억할 수 있듯이 커패시터는 전류를 끌어오거나 공급함으로써 전압의 변화에 ​​반대합니다. Shockley 다이오드에 인가된 전압이 너무 빠른 속도로 상승하면 그 작은 정전용량이 그 시간 동안 트랜지스터 쌍을 활성화하기에 충분한 전류를 끌어서 둘 다 켭니다. 일반적으로 이러한 형태의 래칭은 바람직하지 않으며 스너버라고 하는 직렬 인덕터 및 병렬 저항-커패시터 네트워크가 있는 다이오드에서 고주파수(빠른 전압 상승)를 필터링하여 최소화할 수 있습니다. (아래 그림)

Shockley 다이오드의 전압 상승 한계를 임계 전압 상승률이라고 합니다. 제조업체는 일반적으로 판매하는 기기에 대해 이 사양을 제공합니다.

검토:

<울>

Shockley 다이오드는 4층 PNPN 반도체 소자입니다. 이들은 상호 연결된 PNP 및 NPN 트랜지스터 쌍으로 작동합니다.

모든 사이리스터와 마찬가지로 Shockley 다이오드는 한 번 켜진 상태(래치)를 유지하고 한 번 꺼지면 꺼진 상태를 유지하는 경향이 있습니다.

Shockley 다이오드를 래치하려면 양극-음극 브레이크오버 전압을 초과하거나 양극-음극 임계 전압 상승률을 초과합니다.

Shockley 다이오드가 전도를 멈추게 하려면 통과하는 전류를 저전류 드롭아웃 임계값보다 낮은 수준으로 줄이십시오.