第3节 肖克利二极管 (修订中)
[TOC]
我们对晶闸管的探索始于一种称为四层二极管的器件，也称为 PNPN 二极管，或以其发明者威廉·肖克利 (William Shockley) 命名的肖克利二极管。不要将其与肖特基二极管相混淆，肖特基二极管 (opens new window)是一种以高开关速度而闻名的两层金属半导体器件。肖克利二极管的粗略图示，经常出现在教科书中，是 PNPN 半导体材料的四层夹层结构，如下图所示。
不幸的是，这个简单的插图并不能启发观众了解它的工作原理或原因。考虑下图中设备结构的替代渲染。
像这样显示，它似乎是一组互连的双极晶体管 (opens new window)，一个 PNP 和另一个 NPN。使用标准原理图符号绘制，并考虑上图中未显示的层掺杂浓度，肖克利二极管看起来像这样（下图）
让我们将其中一个设备连接到可变电压源，看看会发生什么。
没有施加电压，当然不会有电流。随着电压最初增加，仍然没有电流，因为两个晶体管都无法开启：两者都将处于截止模式。要理解为什么会这样，请考虑打开双极结型晶体管所需的条件：通过基极-发射极结的电流。如图所示，通过下晶体管的基极电流由上晶体管控制，通过上晶体管的基极电流由下晶体管控制。换句话说，在另一个晶体管开启之前，任何一个晶体管都不能开启。我们在这里所拥有的，用白话来说，被称为 Catch-22。
# 1. 打开和关闭 Shockley 二极管
那么，如果其组成晶体管顽固地将自身保持在截止状态，那么 Shockley 二极管怎么能传导电流呢？答案在于真实晶体管的行为，而不是理想晶体管的行为。如果没有基极电流流过，无论我们在集电极和发射极之间施加多少电压，理想的双极晶体管都不会传导集电极电流。另一方面，真正的晶体管在击穿和导通之前每个集电极 - 发射极电压可以承受多少有明确的限制。如果以这种方式连接两个真正的晶体管以形成一个肖克利二极管，如果电池在阳极和阴极之间施加足够的电压以导致其中一个击穿，则每个晶体管都会导通。一旦一个晶体管发生故障并开始导通，它将允许基极电流通过另一个晶体管，使其以正常方式打开，然后允许基极电流通过第一个晶体管。最终结果是两个晶体管都将饱和，现在彼此保持开启而不是关闭。
因此，我们可以通过在阳极和阴极之间施加足够的电压来强制 Shockley 二极管开启。正如我们所见，这将不可避免地导致其中一个晶体管打开，然后打开另一个晶体管，最终将两个晶体管“锁定”在每个晶体管倾向于保留的位置。但是我们现在如何让两个晶体管再次关闭呢？即使施加的电压降低到远低于使肖克利二极管导通所需的电压，它仍将保持导通，因为两个晶体管现在都有基极电流来保持正常的受控导通。对此的答案是将施加的电压降低到一个低得多的点，在该点上流过的电流太少而无法维持晶体管偏置，此时其中一个晶体管将截止，然后停止通过另一个晶体管的基极电流，
# 2. 肖克利二极管电路中的电压与电流图
如果我们绘制这一系列事件并将结果绘制在 I/V 图上，则滞后现象很明显。首先，我们将观察电路，因为直流电压源（电池）设置为零电压：（下图）
接下来，我们将稳步提高直流电压。通过电路的电流为零或几乎为零，因为任一晶体管都未达到击穿极限。
当达到一个晶体管的电压击穿极限时，即使还没有基极电流通过它，它也会开始传导集电极电流。通常，这种处理会破坏双极结型晶体管，但包含 Shockley 二极管的 PNP 结被设计为可以承受这种滥用，类似于构建齐纳二极管 (opens new window)以处理反向击穿而不会造成损坏的方式。为了说明起见，我假设下部晶体管首先击穿，通过上部晶体管的基极发送电流：（下图）
当上部晶体管接收基极电流时，它会按预期打开。这个动作允许下晶体管正常导通，两个晶体管将自己“密封”在“开启”状态。电路中很快就会看到满电流：（下图）
本章前面提到的积极反馈在这里很明显。当一个晶体管发生故障时，它允许电流通过器件结构。该电流可以被视为设备的“输出”信号。一旦建立了输出电流，它就会使两个晶体管保持饱和状态，从而确保持续提供大量输出电流。换句话说，输出电流正向“反馈”到输入（晶体管基极电流），以使两个晶体管保持“导通”状态，从而增强（或再生）自身。
由于存在充足的基极电流，两个晶体管都保持在饱和状态，即使施加的电压从击穿水平大幅降低，每个晶体管仍将继续导通。正反馈的作用是使两个晶体管保持在饱和状态，尽管输入刺激（原始的高压需要击穿一个晶体管并导致通过另一个晶体管的基极电流）：（下图）
但是，如果直流电压源被调得太低，电路最终将达到一个点，即没有足够的电流来维持两个晶体管处于饱和状态。随着一个晶体管通过越来越少的集电极电流，它会降低另一个晶体管的基极电流，从而降低第一个晶体管的基极电流。恶性循环迅速持续，直到两个晶体管都进入截止状态：（下图）
在这里，正反馈再次起作用：事实上，两个晶体管之间的因果循环是“恶性的”（通过一个晶体管的电流减少可以减少通过另一个晶体管的电流，进一步减少通过第一个晶体管的电流）表明正反馈输出（受控电流）和输入（通过晶体管的基极控制电流）之间的关系。
图上的结果曲线是典型的滞后曲线：随着输入信号（电压）的增加和减少，输出（电流）的下降路径与上升路径不同：（下图）
简而言之，肖克利二极管往往在打开后保持打开状态，在关闭后保持关闭状态。在其操作中没有“中间”或“活动”模式：它是一个纯粹的开或关设备，就像所有晶闸管一样。
# 3. 需要注意的特殊条款
一些特殊术语适用于肖克利二极管和所有其他建立在肖克利二极管基础上的晶闸管器件。首先是用于描述其“开启”状态的术语：锁定。“闩锁”这个词让人想起门锁机制，一旦门被推开，它往往会保持关闭状态。术语触发是指锁定状态的启动。为了使 Shockley 二极管锁存，必须增加施加的电压，直到达到转折。虽然这个动作最好被描述为晶体管击穿，但使用术语击穿代替，因为结果是一对晶体管相互饱和，而不是晶体管的破坏。锁存的肖克利二极管通过减少通过它的电流重新设置回其非导通状态，直到出现低电流压降。
请注意，肖克利二极管可能以导通以外的方式触发：电压升高过大或 dv/dt。如果施加在二极管上的电压以高变化率增加，它可能会触发。由于晶体管内的固有结电容，这会导致二极管的锁存（导通）。您可能还记得，电容器通过吸收或提供电流来对抗电压变化。如果施加在肖克利二极管上的电压上升速度过快，那么这些微小的电容会在这段时间内吸收足够的电流来激活晶体管对，从而将它们都打开。通常，这种形式的锁存是不可取的，可以通过使用串联电感和称为缓冲器的并联电阻电容网络过滤来自二极管的高频（快速电压上升）来最小化：（下图）
肖克利二极管的电压上升极限称为电压上升的临界速率。制造商通常会为其销售的设备提供此规范。
# 4. 总结
- 肖克利二极管是四层 PNPN 半导体器件。这些表现为一对互连的 PNP 和 NPN 晶体管。
- 与所有晶闸管一样，肖克利二极管往往在开启（锁定）后保持开启状态，在关闭后保持关闭状态。
- 要锁定 Shockley 二极管，需要超过阳极到阴极的击穿电压，或超过阳极到阴极的临界电压上升率。
- 要使 Shockley 二极管停止导通，请将通过它的电流降低到低于其低电流压降阈值的水平。
总目录：