К сожалению, эта простая иллюстрация никак не проливает свет, как именно диод работает и почему. Рассмотрим альтернативную визуализацию конструкции устройства:
Показанный таким образом, он выглядит как набор взаимосвязанных биполярных транзисторов, один PNP, а другой NPN. Нарисованный с использованием стандартных схематических символов и с учетом концентраций легирования слоев, не показанных на последнем изображении, диод Шокли выглядит следующим образом:
Давайте подключим одно из этих устройств к источнику переменного напряжения и посмотрим, что произойдёт.
Рис. 4. Эквивалентная схема с питаемым диодом Шокли.
Без напряжения не будет тока (спасибо, Кэп!). При первоначальном увеличении напряжения тока всё равно не будет, потому что ни один из транзисторов не может включиться: оба будут в режиме отсечки. Чтобы понять, почему это так, подумайте, что нужно для включения биполярного переходного транзистора: а нужен ток через переход база/эмиттер. Как вы можете видеть на схеме, базовый ток через нижний транзистор управляется верхним транзистором, а базовый ток через верхний транзистор управляется нижним транзистором. Другими словами, ни один из транзисторов не включится, пока не включится другой транзистор. Это эталонный пример невыполнимой ситуации известной в просторечье как «уловка-22». (Примечание переводчика: Идиома в англоязычной литературе, означающая не имеющую логического решения парадоксальную ситуацию, возникающую из-за взаимоисключающих бюрократических процедур. Название происходит из одноимённого романа Джозефа Хеллера.)
«Вкл.»/«Выкл.» в диоде Шокли
Так почему же диод Шокли вообще проводит ток, если составляющие его транзисторы упорно пребывают в режиме отсечки? Ответ кроется в поведении реальных транзисторов в отличие от идеальных транзисторов. Идеальный биполярный транзистор никогда не будет проводить коллекторный ток, если нет тока базы, независимо от того, какое напряжение мы прикладываем между коллектором и эмиттером. С другой стороны, у реальных транзисторов есть определённые ограничения на то, сколько напряжения коллектор/эмиттер может выдержать каждая часть, прежде чем одна из них выйдет из строя и проведёт ток. Если два реальных транзистора соединены таким образом, чтобы сформировать диод Шокли, каждый из них будет проводить, если батарея приложит достаточное напряжение между анодом и катодом, вызвав пробой одного из них. Как только один транзистор выходит из строя и начинает проводить, он пропускает базовый ток через другой транзистор, заставляя его включаться обычным образом, что затем пропускает базовый ток через первый транзистор. Конечным результатом является то, что оба транзистора будут насыщены, и теперь они будут держать друг друга включёнными, а не выключенными.
Итак, мы можем заставить диод Шокли включиться, приложив достаточное напряжение между анодом и катодом. Как мы видели, это неизбежно приведёт к включению одного из транзисторов, который затем включает другой транзистор, в конечном итоге «запирая» оба транзистора в том состоянии, в котором каждый из них будет стремиться оставаться. Но как теперь заставить два транзистора снова выключиться? Даже если приложенное напряжение снизится до уровня, значительно ниже того, которое требуется для обеспечения проводимости диода Шокли, он останется проводящим, потому что оба транзистора теперь имеют базовый ток для поддержания регулярной контролируемой проводимости. Ответ на это – снизить приложенное напряжение до гораздо более низкой точки, при которой ток слишком мал, чтобы поддерживать смещение транзистора, и в этот момент один из транзисторов отключится, что в свою очередь остановит базовый ток через другой транзистор, герметизируя оба транзисторов в «выключенном» состоянии, в котором пребывал каждый из них до того, когда вообще было приложено какое-либо напряжение.
График зависимости напряжения от тока в цепи диода Шокли
Если мы изобразим эту последовательность событий и отразим результаты на I/V-графике, гистерезис станет очевидным. Во-первых, взглянем на схему, когда источник постоянного напряжения (батарея) настроен на нулевое напряжение:
Далее мы постепенно увеличиваем напряжение постоянного тока. Ток в цепи равен нулю или почти равен нулю, поскольку предел пробоя пока не достигнут ни для одного из транзисторов.
Рис. 6. Некоторое приложенное напряжение; всё ещё нет тока.
Когда достигается предел пробоя напряжения одного транзистора, он начинает проводить коллекторный ток, даже если через него ещё не прошёл базовый ток. Вообще говоря, при нормальных условиях этот процесс разрушает биполярный переходной транзистор, но PNP-переходы, содержащие диод Шокли, спроектированы так, чтобы выдерживать такие злоупотребления, подобно тому, как стабилитрон построен для предотвращения обратного пробоя, не нанося устройству повреждений. В нашем случае предположим, что первым выходит из строя нижний транзистор, пропускающий ток через базу верхнего транзистора:
Рис. 7. Подано достаточно большое напряжение чтобы нижний транзистор вышел из строя.
Когда верхний транзистор получает базовый ток, он ожидаемо включается. Это действие позволяет нижнему транзистору работать нормально, а два транзистора «герметизируют» себя в состоянии «включено». В цепи быстро появляется полный ток:
Положительные обратные связи, упомянутые ранее в этой главе, здесь явно очевидны. Когда один транзистор выходит из строя, он пропускает ток через структуру устройства. Этот ток можно рассматривать как «выходной» сигнал устройства. Как только выходной ток установлен, он работает, чтобы удерживать оба транзистора в состоянии насыщения, обеспечивая, таким образом, значительный выходной ток. Другими словами, выходной ток положительно «возвращается» ко входу (базовый ток транзистора), чтобы удерживать оба транзистора в состоянии «включено», тем самым усиливая (или регенерируя) себя.
Когда оба транзистора поддерживаются в состоянии насыщения при наличии достаточного базового тока, каждый будет продолжать проводить, даже если приложенное напряжение значительно снизится по сравнению с уровнем пробоя. Эффект положительной обратной связи заключается в том, чтобы поддерживать оба транзистора в состоянии насыщения, несмотря на потерю входного стимула (исходное высокое напряжение, необходимое для разрушения одного транзистора и возникновения тока базы через другой транзистор):
Рис. 9. Ток сохраняется даже при понижении напряжения.
Однако, если на источнике постоянного напряжения произойдёт слишком сильное падение, схема в конечном итоге достигнет точки, когда не будет достаточного тока для поддержания насыщения обоих транзисторов. Поскольку один транзистор пропускает всё меньше и меньше коллекторного тока, он уменьшает базовый ток другого транзистора, тем самым уменьшая базовый ток первого транзистора. Порочный круг стремительно продолжается до той поры, пока оба транзистора не перейдут в режим отсечки:
Рис. 10. Если напряжение падает слишком низко, оба транзистора отключаются.
Здесь снова действует положительная обратная связь: тот факт, что причинно-следственный цикл между обоими транзисторами является «порочным» (уменьшение тока через один транзистор способствует уменьшению тока через другой, что приводит к дальнейшему уменьшению тока через первый транзистор) указывает на положительное соотношение между выходом (управляемый ток) и входом (управляющий базовый ток транзисторов).
Результирующая кривая на графике имеет классическую гистерезисную форму: когда входной сигнал (напряжение) увеличивается и уменьшается, выходной (ток) не идёт по тому же пути, что и при движении вверх:
Рис. 11. Итоговая гистерезисная кривая.
Проще говоря, диод Шокли стремится оставаться включённым после включения и выключенным после выключения. В его работе нет «промежуточного» или «активного» режима: это или включённое или выключенное устройство, как и все тиристоры.
Особые примечания
Несколько специальных терминов применимы к диодам Шокли и всем прочим тиристорным устройствам, построенным на основе диодов Шокли. Во-первых, это термин, используемый для описания его «включённого»/«выключенного» состояния: «отпёрт», «отпереть», «заперт», «запереть». Это вызывает аналогию с механизмом дверного замка, который фиксирует дверь в закрытом состоянии после того, как в замке провернули ключ. Термин «отпереть» относится к запуску процесса включения. Для включения диода Шокли необходимо увеличивать приложенное напряжение до тех пор, пока не будет достигнуто размыкание. Хотя это аналогично пробою транзистора, вместо слова «пробой» используется термин «переключение», потому что в результате пара транзисторов находится во взаимном насыщении, а не разрушается. Отпёртый диод Шокли снова переводится в непроводящее состояние путем уменьшения тока через него до тех пор, пока не произойдёт выпадение из процесса из-за слишком слабого тока (который станет меньше так называемого минимального тока удержания).
Обратите внимание, что диоды Шокли могут срабатывать не только при размыкании, но и в результате другой причины: из-за чрезмерно быстрого повышения напряжения (dv/dt). Если приложенное напряжение на диоде увеличивается со слишком высокой скоростью изменения, динистор может «включиться». Это может вызвать фиксацию (включение) диода из-за собственных ёмкостей перехода внутри транзисторов. Как вы помните, конденсаторы противодействуют изменениям напряжения, потребляя или подавая ток. Если приложенное напряжение на диоде Шокли растёт слишком быстро, эти крошечные ёмкости будут потреблять достаточно тока в течение этого времени, чтобы активировать пару транзисторов, отперев их оба. Обычно такая форма фиксации нежелательна и может быть сведена к минимуму фильтром высоких частот (быстрых нарастаний напряжения) в диоде с помощью последовательных катушек индуктивности и параллельных цепей резистор/конденсатор, называемых «демпферами»:
Предел повышения напряжения диода Шокли называется критической скоростью нарастания напряжения. Производители обычно указывают эту характеристику в спецификациях для продаваемых устройств.
Как и все тиристоры, диоды Шокли, как правило, остаются включёнными после включения (фиксируются в этом состоянии) и остаются выключенными после выключения.
Для фиксации диода Шокли превышайте напряжение переключения между анодом и катодом или превышайте критическую скорость нарастания напряжения между анодом и катодом.
Чтобы диод Шокли перестал проводить ток, уменьшите ток, проходящий через него, до уровня ниже его порога отключения при слабом токе.
