Dioda Shockley

Eksplorasi thyristor kami dimulai dengan perangkat yang disebut dioda empat lapis, juga dikenal sebagai dioda PNPN, atau dioda Shockley setelah penemunya, William Shockley. Ini jangan disamakan dengan dioda Schottky, perangkat semikonduktor logam dua lapis yang dikenal dengan kecepatan switching yang tinggi. Sebuah ilustrasi kasar dari dioda Shockley, sering terlihat di buku teks, adalah sandwich empat lapis bahan semikonduktor P-N-P-N, Gambar di bawah.

Sayangnya, ilustrasi sederhana ini tidak mencerahkan pemirsa tentang cara kerjanya atau mengapa. Pertimbangkan rendering alternatif dari konstruksi perangkat pada Gambar di bawah.

Ditampilkan seperti ini, tampaknya merupakan satu set transistor bipolar yang saling berhubungan, satu PNP dan NPN lainnya. Digambar menggunakan simbol skema standar, dan dengan memperhatikan konsentrasi doping lapisan yang tidak ditunjukkan pada gambar terakhir, dioda Shockley terlihat seperti ini (Gambar di bawah)

Mari hubungkan salah satu perangkat ini ke sumber tegangan variabel dan lihat apa yang terjadi.

Tanpa tegangan yang diterapkan, tentu saja tidak akan ada arus. Ketika tegangan awalnya dinaikkan, masih tidak akan ada arus karena kedua transistor tidak dapat menyala:keduanya akan berada dalam mode cutoff. Untuk memahami mengapa hal ini terjadi, pertimbangkan apa yang diperlukan untuk menghidupkan transistor sambungan bipolar:arus yang melalui sambungan basis-emitor. Seperti yang Anda lihat pada diagram, arus basis melalui transistor bawah dikendalikan oleh transistor atas, dan arus basis melalui transistor atas dikendalikan oleh transistor bawah. Dengan kata lain, transistor tidak dapat menyala sampai transistor lainnya menyala. Apa yang kita miliki di sini, dalam istilah bahasa sehari-hari, dikenal sebagai Catch-22.

Menghidupkan dan Mematikan Dioda Shockley

Jadi bagaimana dioda Shockley bisa menghantarkan arus, jika transistor penyusunnya dengan keras kepala mempertahankan diri dalam keadaan terputus? Jawabannya terletak pada perilaku transistor nyata yang bertentangan dengan transistor ideal. Transistor bipolar yang ideal tidak akan pernah menghantarkan arus kolektor jika tidak ada arus basis yang mengalir, tidak peduli berapa banyak atau sedikit tegangan yang kita berikan antara kolektor dan emitor. Transistor nyata, di sisi lain, memiliki batasan yang pasti untuk berapa banyak tegangan kolektor-emitor yang dapat ditahan masing-masing sebelum salah satu rusak dan berjalan. Jika dua transistor nyata dihubungkan dengan cara ini untuk membentuk dioda Shockley, masing-masing akan berjalan jika tegangan yang cukup diberikan oleh baterai antara anoda dan katoda untuk menyebabkan salah satu dari mereka rusak. Setelah satu transistor rusak dan mulai bekerja, itu akan memungkinkan arus basis melalui transistor lain, menyebabkannya menyala secara normal, yang kemudian memungkinkan arus basis melalui transistor pertama. Hasil akhirnya adalah kedua transistor akan menjadi jenuh, sekarang saling menghidupkan alih-alih mati.

Jadi, kita dapat memaksa dioda Shockley untuk menyala dengan menerapkan tegangan yang cukup antara anoda dan katoda. Seperti yang telah kita lihat, ini pasti akan menyebabkan salah satu transistor menyala, yang kemudian menyalakan transistor lainnya, akhirnya "menempel" kedua transistor di mana masing-masing akan cenderung tetap. Tapi bagaimana kita sekarang mematikan kedua transistor itu? Bahkan jika tegangan yang diberikan dikurangi ke titik jauh di bawah apa yang diperlukan untuk mendapatkan dioda Shockley, itu akan tetap berjalan karena kedua transistor sekarang memiliki arus basis untuk mempertahankan konduksi yang teratur dan terkontrol. Jawabannya adalah untuk mengurangi tegangan yang diberikan ke titik yang jauh lebih rendah di mana arus terlalu sedikit mengalir untuk mempertahankan bias transistor, di mana salah satu transistor akan terputus, yang kemudian menghentikan arus basis melalui transistor lain, menyegel kedua transistor di status "mati" karena masing-masing sebelum tegangan diterapkan sama sekali.

Plot Tegangan vs Arus di Sirkuit Dioda Shockley

Jika kita membuat grafik urutan kejadian ini dan memplot hasilnya pada grafik I/V, histeresis terbukti. Pertama, kita akan mengamati rangkaian sebagai sumber tegangan DC (baterai) diatur ke tegangan nol:(Gambar di bawah)

Selanjutnya, kami akan terus meningkatkan tegangan DC. Arus yang melalui rangkaian berada pada atau hampir nol, karena batas kerusakan belum tercapai untuk kedua transistor.

Ketika batas tembus tegangan satu transistor tercapai, transistor akan mulai mengalirkan arus kolektor meskipun belum ada arus basis yang melewatinya. Biasanya, perlakuan semacam ini akan menghancurkan transistor sambungan bipolar, tetapi sambungan PNP yang terdiri dari dioda Shockley direkayasa untuk mengambil jenis penyalahgunaan ini, mirip dengan cara dioda Zener dibangun untuk menangani kerusakan terbalik tanpa mengalami kerusakan. Demi ilustrasi, saya akan menganggap transistor bawah rusak terlebih dahulu, mengirimkan arus melalui basis transistor atas:(Gambar di bawah)

Saat transistor atas menerima arus basis, transistor menyala seperti yang diharapkan. Tindakan ini memungkinkan transistor yang lebih rendah untuk bekerja secara normal, kedua transistor "menyegel" diri mereka sendiri dalam keadaan "on". Arus penuh dengan cepat terlihat di sirkuit:(Gambar di bawah)

Umpan balik positif yang disebutkan sebelumnya dalam bab ini jelas terlihat di sini. Ketika satu transistor rusak, itu memungkinkan arus melalui struktur perangkat. Arus ini dapat dilihat sebagai sinyal "keluaran" perangkat. Setelah arus keluaran terbentuk, ia bekerja untuk menahan kedua transistor dalam saturasi, sehingga memastikan kelanjutan arus keluaran yang substansial. Dengan kata lain, arus keluaran “umpan balik” secara positif ke masukan (arus basis transistor) untuk menjaga kedua transistor dalam keadaan “on”, sehingga memperkuat (atau meregenerasi) itu sendiri.

Dengan kedua transistor dipertahankan dalam keadaan saturasi dengan adanya arus basis yang cukup, masing-masing akan terus berjalan bahkan jika tegangan yang diberikan sangat berkurang dari tingkat kerusakan. Efek umpan balik positif adalah untuk menjaga kedua transistor dalam keadaan saturasi meskipun kehilangan stimulus input (tegangan asli yang tinggi diperlukan untuk memecah satu transistor dan menyebabkan arus basis melalui transistor lainnya):(Gambar di bawah)

Namun, jika sumber tegangan DC diturunkan terlalu jauh, rangkaian pada akhirnya akan mencapai titik di mana arus tidak cukup untuk menopang kedua transistor dalam saturasi. Ketika satu transistor melewatkan arus kolektor yang semakin berkurang, arus basis untuk transistor lain berkurang, sehingga mengurangi arus basis untuk transistor pertama. Lingkaran setan berlanjut dengan cepat sampai kedua transistor jatuh ke dalam cutoff:(Gambar di bawah)

Di sini, umpan balik positif kembali bekerja:fakta bahwa siklus sebab/akibat antara kedua transistor adalah "kejam" (penurunan arus melalui satu bekerja untuk mengurangi arus melalui yang lain, lebih lanjut penurunan arus melalui transistor pertama) menunjukkan positif hubungan antara keluaran (arus terkendali) dan masukan (pengatur arus melalui basis transistor).

Kurva yang dihasilkan pada grafik secara klasik histeris:saat sinyal input (tegangan) dinaikkan dan diturunkan, output (arus) tidak mengikuti jalur yang sama saat turun seperti saat naik:(Gambar di bawah)

Sederhananya, dioda Shockley cenderung tetap menyala setelah dihidupkan, dan tetap mati setelah dimatikan. Tidak ada mode "di antara" atau "aktif" dalam pengoperasiannya:ini adalah perangkat yang aktif atau tidak aktif, seperti halnya semua thyristor.

Persyaratan Khusus yang Perlu Diperhatikan

Beberapa istilah khusus berlaku untuk dioda Shockley dan semua perangkat thyristor lainnya yang dibangun di atas fondasi dioda Shockley. Pertama adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan status "aktif":terkunci. Kata "latch" mengingatkan pada mekanisme kunci pintu, yang cenderung menjaga pintu tetap tertutup setelah didorong menutup. Istilah menembak mengacu pada inisiasi keadaan terkunci. Untuk mendapatkan dioda Shockley untuk mengunci, tegangan yang diberikan harus ditingkatkan sampai breakover tercapai. Meskipun tindakan ini paling baik digambarkan sebagai kerusakan transistor, istilah pemutusan digunakan sebagai gantinya karena hasilnya adalah sepasang transistor dalam kejenuhan timbal balik daripada penghancuran transistor. Dioda Shockley yang terkunci disetel ulang kembali ke kondisi nonkonduktornya dengan mengurangi arus yang melaluinya sampai terjadi pemutusan arus rendah.

Perhatikan bahwa dioda Shockley dapat dinyalakan dengan cara selain breakover:kenaikan tegangan yang berlebihan, atau dv/dt. Jika tegangan yang diterapkan di dioda meningkat pada tingkat perubahan yang tinggi, itu dapat memicu. Hal ini dapat menyebabkan penguncian (menghidupkan) dioda karena kapasitansi sambungan yang melekat di dalam transistor. Kapasitor, seperti yang Anda ingat, menentang perubahan tegangan dengan menarik atau memasok arus. Jika tegangan yang diberikan pada dioda Shockley naik pada kecepatan yang terlalu cepat, kapasitansi kecil itu akan menarik arus yang cukup selama waktu itu untuk mengaktifkan pasangan transistor, menyalakan keduanya. Biasanya, bentuk penguncian ini tidak diinginkan, dan dapat diminimalkan dengan menyaring frekuensi tinggi (tegangan cepat naik) dari dioda dengan induktor seri dan jaringan resistor-kapasitor paralel yang disebut snubber:(Gambar di bawah)

Batas kenaikan tegangan dioda Shockley disebut sebagai tingkat kritis kenaikan tegangan. Produsen biasanya memberikan spesifikasi ini untuk perangkat yang mereka jual.

TINJAUAN:

• Dioda Shockley adalah perangkat semikonduktor PNPN empat lapis. Ini berperilaku sebagai sepasang transistor PNP dan NPN yang saling berhubungan.
• Seperti semua thyristor, dioda Shockley cenderung tetap menyala setelah dihidupkan (terkunci), dan tetap mati setelah dimatikan.
• Untuk mengunci dioda Shockley melebihi tegangan pemutusan anoda-ke-katoda, atau melebihi tingkat kenaikan tegangan kritis anoda-ke-katoda.
• Untuk menyebabkan dioda Shockley berhenti konduksi, kurangi arus yang melewatinya ke tingkat di bawah ambang putus arus rendah.