肖克利二极管

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。这不要与肖特基二极管混淆，肖特基二极管是一种以高开关速度着称的两层金属半导体器件。教科书中常见的肖克利二极管的粗略图解是四层 P-N-P-N 半导体材料的夹层，如下图。

不幸的是，这个简单的插图并没有让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，一个 PNP 和另一个 NPN。使用标准原理图符号绘制，并考虑到最后一张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打开：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。从图中可以看出，通过下部晶体管的基极电流由上部晶体管控制，而通过上部晶体管的基极电流由下部晶体管控制。换句话说，在另一个晶体管导通之前，任何一个晶体管都不能导通。我们这里的东西，用白话来说，就是所谓的 Catch-22。

打开和关闭肖克利二极管

那么，如果肖克利二极管的组成晶体管顽固地将自身保持在截止状态，那么它怎么能传导电流呢？答案在于与理想晶体管相反的真实晶体管的行为。如果没有基极电流流动，理想的双极晶体管永远不会传导集电极电流，无论我们在集电极和发射极之间施加多少电压。另一方面，真正的晶体管对每个晶体管在损坏和导通之前可以承受的集电极-发射极电压有明确的限制。如果两个真正的晶体管以这种方式连接起来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导致其中一个损坏，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，使其以正常方式导通，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，现在保持彼此导通而不是关断。

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打开肖克利二极管。正如我们所见，这将不可避免地导致其中一个晶体管导通，然后另一个晶体管导通，最终将两个晶体管“锁存”在每个晶体管都倾向于保持的位置。但是我们现在如何让两个晶体管再次关闭？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以保持正常、受控的导通。对此的答案是将施加的电压降低到一个低得多的点，此时流过的电流太少以维持晶体管偏置，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，从而将两个晶体管密封在“关闭”状态，因为每个都在施加任何电压之前。

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，滞后现象很明显。首先，我们将观察直流电压源（电池）设置为零电压时的电路：（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接近零，因为任一晶体管均未达到击穿极限。

当一个晶体管的电压击穿极限达到时，即使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，但包含肖克利二极管的 PNP 结被设计为可以承受这种滥用，类似于构建齐纳二极管以处理反向击穿而不持续损坏的方式。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）

当上晶体管接收基极电流时，它按预期打开。这个动作允许较低的晶体管正常导通，两个晶体管将自己“密封”在“导通”状态。电路中快速看到满电流：（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。该电流可被视为设备的“输出”信号。一旦建立了输出电流，它就会将两个晶体管保持在饱和状态，从而确保持续输出大量电流。换句话说，输出电流正“反馈”到输入（晶体管基极电流），使两个晶体管都处于“导通”状态，从而增强（或再生）自身。

由于两个晶体管都保持在饱和状态并存在充足的基极电流，即使施加的电压从击穿水平大大降低，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饱和状态，尽管输入激励丢失（击穿一个晶体管并导致基极电流通过另一个晶体管所需的原始高电压）：（下图）

但是，如果直流电压源调低太多，电路最终将达到没有足够电流来维持两个晶体管处于饱和状态的程度。随着一个晶体管通过越来越少的集电极电流，它降低了另一个晶体管的基极电流，从而降低了第一个晶体管的基极电流。恶性循环很快，直到两个晶体管都进入截止：（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会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（控制通过晶体管基极的电流）之间的关系。

图上的结果曲线是典型的滞后：随着输入信号（电压）的增加和减少，输出（电流）不会遵循与上升相同的路径下降：（下图）

简而言之，肖克利二极管一旦开启就会保持开启状态，一旦关闭就会保持关闭状态。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，所有晶闸管也是如此。

特别注意事项

一些特殊术语适用于肖克利二极管和建立在肖克利二极管基础上的所有其他晶闸管器件。首先是用于描述其“开启”状态的术语：闩锁。 “闩锁”这个词让人想起门锁机构，一旦门被推关闭，门就会保持关闭。术语触发是指锁定状态的启动。要使肖克利二极管锁存，必须增加施加的电压直到达到导通。虽然这种行为最好被描述为晶体管击穿，但使用术语“击穿”是因为结果是一对晶体管相互饱和，而不是晶体管损坏。锁存的肖克利二极管通过减少流过它的电流直到出现低电流压降而重新回到其非导通状态。

请注意，肖克利二极管可能以导通以外的方式触发：电压升高过度或 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，这能够导致二极管的锁存（导通）。您可能还记得，电容器通过汲取或提供电流来抵抗电压的变化。如果施加在肖克利二极管上的电压以过快的速度上升，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，可以通过使用称为缓冲器的串联电感器和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。

评论：

• 肖克利二极管是四层 PNPN 半导体器件。它们表现为一对互连的 PNP 和 NPN 晶体管。
• 与所有晶闸管一样，肖克利二极管在导通（锁存）后往往会保持导通状态，而在关闭后往往会保持关闭状态。
• 锁存肖克利二极管超过阳极到阴极导通电压，或超过阳极到阴极电压上升的临界速率。
• 要使肖克利二极管停止导通，请将流过它的电流降低到低于其低电流压降阈值的水平。