اصول عملکرد دیود شاکلی

اصول عملکرد دیود شاکلی:
دیود شاکلی اولین عضو از خانواده تریستورها است و به افتخار مخترعش، ویلیام بردفورد شاکلی (William Bradford Shockley) نامگذاری شده است. اگر عملکرد پایه این دیود را به خوبی یاد بگیریم، درک مفاهیم مربوط به تریستورها آسان خواهد بود.

دیود شاکلی یا دیود PNPN یک قطعه سوئیچینگ نیمه هادی با چهار لایه (P-N-P-N) و دو پایه (به نام آند و کاتد) است.

دیود شاکلی دیود چهارلایه نیز نامیده می شود. این دیود مانند یک دیود عادی عمل می کند که ورودی تریگر ندارد و در شرایط بایاس معکوس جریانی از آن نمی گذرد.

در بایاس مستقیم، هنگامی جریان از آن می گذرد که ولتاژ دو سر آن بزرگ تر از ولتاژ شکستش باشد.

دیودهای شاکلی تنها دو وضعیت قطع و وصل دارند و به همین دلیل آن ها را مانند تریستورها دسته بندی می کنند.

ساختار پایه ای یک دیود شاکلی را می توان به عنوان دو ترانزیستور در نظر گرفت. شکل زیر ساختار و نماد دیود شاکلی را نشان می دهد.

ساختار این دیود ساده است و از چهار لایه تشکیل شده که یک پیوند PNPN را تشکیل می دهند.

مدار معادل این دیود را می توان با استفاده از دو ترانزیستور شکل بالا نشان داد که در آن، کلکتور ترانزیستورT1به  بیس ترانزیستورT2 متصل شده است.

پیوندJ1از پیوند امیتر-بیسT1و پیوندJ2از پیوند بین بیس و کلکتورT1وT2 تشکیل شده است. پیوندJ3 نیز از پیوند بیس-امیترT2 ساخته شده است.

بنابراین، برای عملکرد خطی، پیوند های بیس-امیترJ1وJ3 باید بایاس مستقیم شوند و پیوند کلکتور-بیسJ2 باید بایاس معکوس شود.

همان طور که گفتیم، دیودهای شاکلی از سه پیوندJ1، J2وJ3 تشکیل می شوند. وقتی ولتاژ به این دیود اعمال شود، به گونه ای که آند نسبت به کاتد مثبت گردد، پیوندهای J1 و J3 بایاس مستقیم و پیوندJ2 بایاس معکوس خواهد بود.

تا زمانی که ولتاژ اعمالی بر دیود کمتر از ولتاژ شکست باشد، دیود مانند یک کلید باز با مقاومت بسیار بالا عمل می کند و اجازه عبور جریان را نمی دهد.

وقتی اندازه ولتاژ به ولتاژ شکست برسد، به دلیل شکست پیوندJ2، دیود مانند یک مقاومت با مقدار بسیار کم خواهد بود.

بنابراین، دیود مانند یک اتصال کوتاه عمل کرده و تا زمانی که جریان آن به مقدار جریان نگهدارنده برسد، اجازه عبور جریان را خواهد داد. این عبور جریان مستقیم از دیود به ولتاژ اعمالی و مقاومت بار خارجی بستگی دارد.

شکل زیر، مشخصه I-V دیود شاکلی را برای حالت های هدایت و عدم هدایت دیود شاکلی نشان می دهد. همان طور که می بینیم، در حالت ON جریان فقط وقتی عبور می کند که ولتاژ بزرگ تر از ولتاژ شکستVBO باشد.

وقتی آند نسبت به کاتد منفی شود، پیوندهای J1 و J3 بایاس معکوس و پیوند J2 بایاس مستقیم می شود. اگر ولتاژ بایاس معکوس افزایش یابد (به فراتر از ولتاژ شکست دیود شاکلی برود)، پیوندهای J1 و J3 بایاس معکوس شده و جریان معکوس از دیود می گذرد.

این جریان معکوس سبب تولید گرما شده و ممکن است به دیود آسیب برساند. بنابراین، دیود شاکلی هرگز نباید در شرایط بایاس معکوس با ولتاژی برابر با ولتاژ شکست معکوس کار کند.

وقتی دیود شاکلی وصل (ON) شود، مانند یک کلید بسته عمل خواهد کرد که مقاومت بسیار کمی دارد. برای قطع (OFF) کردن دیود، باید ولتاژ اعمالی به آن را به مقداری کاهش داد که جریان گذرنده از آن کمتر از جریان نگهدارندهIH باشد.

در این حالت، پیوندJ2 تحت تأثیر وضعیت شکست معکوس قرار گرفته و مقدار مقاومت بزرگ آن بازیابی می شود.