ショックリーダイオード

サイリスタの調査は、PNPNダイオードとしても知られる4層ダイオード、または発明者であるWilliamShockleyにちなんでShockleyダイオードと呼ばれるデバイスから始まります。これは、高いスイッチング速度で知られる2層の金属半導体デバイスであるショットキーダイオードと混同しないでください。教科書によく見られるShockleyダイオードの大まかな図は、P-N-P-N半導体材料の4層サンドイッチです（下の図）。

残念ながら、この単純な図は、それがどのように機能するのか、またはその理由について視聴者に啓蒙するものではありません。下の図で、デバイスの構造の代替レンダリングを検討してください。

このように示されているように、相互接続されたバイポーラトランジスタのセットであるように見えます。1つはPNP、もう1つはNPNです。標準の回路図記号を使用して描かれ、最後の画像に示されていない層のドーピング濃度を尊重すると、Shockleyダイオードは次のようになります（下の図）

これらのデバイスの1つを可変電圧源に接続して、何が起こるか見てみましょう。

電圧が印加されていない場合、もちろん電流は流れません。電圧が最初に上昇しても、どちらのトランジスタもオンにできないため、電流は流れません。両方ともカットオフモードになります。これがなぜであるかを理解するために、バイポーラ接合トランジスタをオンにするために必要なもの、つまりベース-エミッタ接合を流れる電流を考えてみてください。図からわかるように、下側のトランジスタを流れるベース電流は上側のトランジスタによって制御され、上側のトランジスタを流れるベース電流は下側のトランジスタによって制御されます。つまり、どちらのトランジスタも、もう一方のトランジスタがオンになるまでオンにできません。ここにあるものは、言葉で言えば、Catch-22として知られています。

Shockleyダイオードのオンとオフを切り替える

では、Shockleyダイオードは、その構成トランジスタが頑固にカットオフ状態を維持している場合、どのようにして電流を流すことができるのでしょうか。答えは、理想的なトランジスタではなく、実際のトランジスタの動作にあります。コレクタとエミッタの間に印加する電圧の量に関係なく、ベース電流が流れない場合、理想的なバイポーラトランジスタはコレクタ電流を伝導しません。一方、実際のトランジスタには、故障して導通する前にそれぞれが耐えることができるコレクタ-エミッタ間電圧に明確な制限があります。 2つの実際のトランジスタがこのように接続されてShockleyダイオードを形成する場合、アノードとカソードの間のバッテリによって十分な電圧が印加され、一方が故障する場合、それぞれが導通します。一方のトランジスタが故障して導通を開始すると、もう一方のトランジスタにベース電流が流れ、通常の方法でオンになり、最初のトランジスタにベース電流が流れます。その結果、両方のトランジスタが飽和状態になり、互いにオフではなくオンのままになります。

したがって、アノードとカソードの間に十分な電圧を印加することにより、Shockleyダイオードを強制的にオンにすることができます。これまで見てきたように、これにより必然的に一方のトランジスタがオンになり、次にもう一方のトランジスタがオンになり、最終的には両方のトランジスタが残りやすい場所に「ラッチ」します。しかし、どうすれば2つのトランジスタを再びオフにすることができますか？印加電圧がShockleyダイオードを導通させるのにかかった電圧よりもかなり低いポイントまで低下しても、両方のトランジスタに通常の制御された導通を維持するためのベース電流があるため、導通したままになります。これに対する答えは、トランジスタのバイアスを維持するには電流が少なすぎる非常に低いポイントに印加電圧を下げることです。このポイントで、トランジスタの1つがカットオフし、もう1つのトランジスタを流れるベース電流が停止し、両方のトランジスタがシールされます。電圧がまったく印加される前の状態であるため、「オフ」状態です。

ショックリーダイオードの回路の電圧と電流のプロット

この一連のイベントをグラフ化し、結果をI / Vグラフにプロットすると、ヒステリシスが明らかになります。まず、DC電圧源（バッテリー）がゼロ電圧に設定されている回路を観察します:(下の図）

次に、DC電圧を着実に上げていきます。どちらのトランジスタもブレークダウン限界に達していないため、回路を流れる電流はゼロまたはほぼゼロです。

1つのトランジスタの電圧破壊限界に達すると、ベース電流がまだ流れていなくても、コレクタ電流が流れ始めます。通常、この種の処理はバイポーラ接合トランジスタを破壊しますが、Shockleyダイオードを構成するPNP接合は、損傷を被ることなく逆ブレークダウンを処理するためにツェナーダイオードが構築されるのと同様に、この種の悪用を行うように設計されています。説明のために、下側のトランジスタが最初に故障し、上側のトランジスタのベースに電流を流すと仮定します:(下の図）

上部のトランジスタがベース電流を受け取ると、期待どおりにオンになります。この動作により、下側のトランジスタが正常に導通し、2つのトランジスタが「オン」状態で「シール」します。回路に全電流がすぐに見られます:(下の図）

この章で前述した正のフィードバックは、ここではっきりとわかります。 1つのトランジスタが故障すると、デバイス構造に電流が流れます。この電流は、デバイスの「出力」信号と見なすことができます。出力電流が確立されると、両方のトランジスタを飽和状態に保つように機能するため、実質的な出力電流が継続します。言い換えると、出力電流が入力に正に「フィードバック」され（トランジスタのベース電流）、両方のトランジスタが「オン」状態に保たれ、それ自体が強化（または再生）されます。

両方のトランジスタが十分なベース電流の存在下で飽和状態に維持されているため、印加電圧がブレークダウンレベルから大幅に低下しても、それぞれが導通し続けます。正のフィードバックの効果は、入力刺激が失われたにもかかわらず、両方のトランジスタを飽和状態に保つことです（一方のトランジスタを破壊し、もう一方のトランジスタにベース電流を流すために必要な元の高電圧）:(下の図）

ただし、DC電圧源を下げすぎると、回路は最終的に、両方のトランジスタを飽和状態に保つのに十分な電流がなくなるポイントに到達します。一方のトランジスタが通過するコレクタ電流が少なくなると、もう一方のトランジスタのベース電流が減少し、最初のトランジスタのベース電流が減少します。悪循環は、両方のトランジスタがカットオフに陥るまで急速に続きます:(下の図）

ここで、正のフィードバックが再び機能しています。両方のトランジスタ間の原因/結果サイクルが「悪意のある」（一方を流れる電流が減少すると、もう一方を流れる電流が減少し、最初のトランジスタを流れる電流がさらに減少する）という事実は、正を示します。出力（制御電流）と入力（トランジスタのベースを流れる電流の制御）の関係。

結果として得られるグラフの曲線は、古典的にヒステリシスがあります。入力信号（電圧）が増減すると、出力（電流）は、上昇したときと同じ経路をたどりません:(下の図）

簡単に言えば、Shockleyダイオードは、オンになるとオンのままになり、オフになるとオフのままになる傾向があります。その動作には「中間」または「アクティブ」モードはありません。すべてのサイリスタと同様に、純粋にオンまたはオフのデバイスです。

注意すべき特別な条件

いくつかの特別な用語が、ShockleyダイオードおよびShockleyダイオード基盤上に構築された他のすべてのサイリスタデバイスに適用されます。 1つ目は、「オン」状態を説明するために使用される用語です。ラッチされています。 「ラッチ」という言葉は、ドアを押して閉じた後もドアを閉じたままにする傾向があるドアロック機構を連想させます。発火という用語は、ラッチ状態の開始を指します。ショックリーダイオードをラッチするには、ブレークオーバーが達成されるまで印加電圧を上げる必要があります。この動作はトランジスタのブレークダウンとして最もよく説明されますが、結果としてトランジスタが破壊されるのではなく、相互に飽和したトランジスタのペアになるため、代わりにブレークオーバーという用語が使用されます。ラッチされたShockleyダイオードは、低電流ドロップアウトが発生するまで電流を減らすことにより、非導通状態にリセットされます。

ショックリーダイオードは、ブレークオーバー以外の方法で起動する可能性があることに注意してください：過度の電圧上昇、またはdv / dt。ダイオードに印加される電圧が高い変化率で増加すると、トリガーされる可能性があります。これにより、トランジスタ内の固有の接合容量により、ダイオードのラッチ（オン）が発生する可能性があります。ご存知のように、コンデンサは電流を引き込んだり供給したりすることで電圧の変化に対抗します。ショックリーダイオードに印加される電圧の上昇速度が速すぎると、その間にこれらの小さな静電容量に十分な電流が流れてトランジスタペアがアクティブになり、両方がオンになります。通常、この形式のラッチは望ましくなく、直列インダクタとスナバと呼ばれる並列抵抗-コンデンサネットワークを使用してダイオードから高周波（急速な電圧上昇）をフィルタリングすることで最小限に抑えることができます:(下図）

ショックリーダイオードの電圧上昇限界は、臨界電圧上昇率と呼ばれます。メーカーは通常、販売するデバイスにこの仕様を提供します。

レビュー：

• ショックリーダイオードは、4層のPNPN半導体デバイスです。これらは、相互接続されたPNPトランジスタとNPNトランジスタのペアとして動作します。
• すべてのサイリスタと同様に、Shockleyダイオードは、オン（ラッチ）するとオンのままになり、オフになるとオフのままになる傾向があります。
• Shockleyダイオードをラッチするには、アノードからカソードへのブレークオーバー電圧を超えるか、アノードからカソードへの臨界電圧上昇率を超えます。
• Shockleyダイオードの導通を停止するには、Shockleyダイオードを流れる電流を、低電流ドロップアウトしきい値よりも低いレベルに下げます。