7.3: El diodo Shockley

Nuestra exploración de tiristores comienza con un dispositivo llamado diodo de cuatro capas, también conocido como diodo PNPN, o un diodo Shockley después de su inventor, William Shockley. Esto no debe confundirse con un diodo Schottky, ese dispositivo metal-semiconductor de dos capas conocido por su alta velocidad de conmutación. Una ilustración cruda del diodo Shockley, a menudo visto en libros de texto, es un sándwich de cuatro capas de material semiconductor P-N-P-N, Figura a continuación.

Shockley o diodo de 4 capas

Desafortunadamente, esta sencilla ilustración no hace nada para iluminar al espectador sobre cómo funciona o por qué. Considere una representación alternativa de la construcción del dispositivo en la Figura a continuación.

Transistor equivalente al diodo Shockley

Mostrado así, parece ser un conjunto de transistores bipolares interconectados, uno PNP y el otro NPN. Dibujado usando símbolos esquemáticos estándar, y respetando las concentraciones de dopaje de capa no mostradas en la última imagen, el diodo Shockley se ve así (Figura abajo)

Diodo Shockley: diagrama físico, diagrama esquemático equivalente y símbolo esquemático.

Conectemos uno de estos dispositivos a una fuente de voltaje variable y veamos qué sucede: (Figura abajo)

Circuito equivalente a diodo Shockley alimentado.

Sin tensión aplicada, claro que no habrá corriente. Como el voltaje se incrementa inicialmente, todavía no habrá corriente porque ninguno de los dos transistores es capaz de encenderse: ambos estarán en modo de corte. Para entender por qué esto es, considere lo que se necesita para encender un transistor de unión bipolar: corriente a través de la unión base-emisor. Como puede ver en el diagrama, la corriente de base a través del transistor inferior es controlada por el transistor superior, y la corriente de base a través del transistor superior es controlada por el transistor inferior. En otras palabras, ninguno de los dos transistores puede encenderse hasta que se encienda el otro transistor. Lo que tenemos aquí, en términos vernáculos, se conoce como Catch-22.

Entonces, ¿cómo puede un diodo Shockley conducir corriente alguna vez, si sus transistores constituyentes se mantienen obstinadamente en un estado de corte? La respuesta radica en el comportamiento de los transistores reales frente a los transistores ideales. Un transistor bipolar ideal nunca conducirá corriente de colector si no fluye corriente de base, no importa cuánto o poco voltaje apliquemos entre el colector y el emisor. Los transistores reales, por otro lado, tienen límites definidos a la cantidad de voltaje colector-emisor que cada uno puede soportar antes de que uno se rompa y conduzca. Si dos transistores reales están conectados de esta manera para formar un diodo Shockley, cada uno conducirá si la batería aplica suficiente voltaje entre el ánodo y el cátodo para hacer que uno de ellos se descomponga. Una vez que un transistor se descompone y comienza a conducir, permitirá la corriente de base a través del otro transistor, provocando que se encienda de manera normal, lo que luego permite la corriente de base a través del primer transistor. El resultado final es que ambos transistores estarán saturados, ahora manteniéndose el uno al otro encendido en lugar de apagado.

Entonces, podemos forzar que un diodo Shockley se encienda aplicando suficiente voltaje entre el ánodo y el cátodo. Como hemos visto, esto provocará inevitablemente que uno de los transistores se encienda, que luego enciende el otro transistor, en última instancia “enganchando” ambos transistores en donde cada uno tenderá a permanecer. Pero, ¿cómo conseguimos ahora que los dos transistores se apaguen de nuevo? Incluso si el voltaje aplicado se reduce a un punto muy por debajo de lo que se necesitó para que el diodo Shockley condujera, seguirá conduciendo porque ambos transistores ahora tienen corriente base para mantener una conducción regular y controlada. La respuesta a esto es reducir el voltaje aplicado a un punto mucho más bajo donde fluye muy poca corriente para mantener la polarización del transistor, momento en el que uno de los transistores cortará, lo que luego detiene la corriente base a través del otro transistor, sellando ambos transistores en el estado “apagado” como cada uno estaba antes cualquier voltaje se aplicó en absoluto.

Si graficamos esta secuencia de eventos y trazamos los resultados en una gráfica I/V, la histéresis es evidente. Primero, observaremos el circuito ya que la fuente de voltaje de CC (batería) se establece en voltaje cero: (Figura a continuación)

Voltaje aplicado cero; corriente cero

A continuación, aumentaremos de manera constante el voltaje de CC. La corriente a través del circuito es igual o casi a cero, ya que no se ha alcanzado el límite de ruptura para ninguno de los dos transistores: (Figura abajo)

Algún voltaje aplicado; todavía sin corriente

Cuando se alcanza el límite de ruptura de voltaje de un transistor, comenzará a conducir la corriente del colector aunque aún no haya pasado corriente de base por él. Normalmente, este tipo de tratamiento destruiría un transistor de unión bipolar, pero las uniones PNP que comprenden un diodo Shockley están diseñadas para soportar este tipo de abuso, similar a la forma en que se construye un diodo Zener para manejar la avería inversa sin sufrir daños. En aras de la ilustración, asumiré que el transistor inferior se descompone primero, enviando corriente a través de la base del transistor superior: (Figura abajo)

Se aplica más voltaje; el transistor inferior se descompone

A medida que el transistor superior recibe corriente de base, se enciende como se esperaba. Esta acción permite que el transistor inferior conduzca normalmente, los dos transistores se “sellan” a sí mismos en el estado “encendido”. La corriente completa se ve rápidamente en el circuito: (Figura abajo)

Los transistores ahora están completamente conductores.

Los comentarios positivos mencionados anteriormente en este capítulo son claramente evidentes aquí. Cuando un transistor se descompone, permite la corriente a través de la estructura del dispositivo. Esta corriente puede verse como la señal de “salida” del dispositivo. Una vez que se establece una corriente de salida, funciona para mantener ambos transistores en saturación, asegurando así la continuación de una corriente de salida sustancial. En otras palabras, una corriente de salida “retroalimenta” positivamente a la entrada (corriente base del transistor) para mantener ambos transistores en el estado “encendido”, reforzándose así (o regenerándose) a sí mismo.

Con ambos transistores mantenidos en un estado de saturación con la presencia de una amplia corriente base, cada uno continuará conduciendo incluso si el voltaje aplicado se reduce considerablemente desde el nivel de ruptura. El efecto de la retroalimentación positiva es mantener ambos transistores en un estado de saturación a pesar de la pérdida de estímulo de entrada (el original, alto voltaje necesario para romper un transistor y causar una corriente de base a través del otro transistor): (Figura abajo): (Figura a continuación)

La corriente se mantiene incluso cuando se reduce el voltaje

Sin embargo, si la fuente de voltaje de CC se baja demasiado, el circuito eventualmente llegará a un punto en el que no hay suficiente corriente para sostener ambos transistores en saturación. A medida que un transistor pasa cada vez menos corriente de colector, reduce la corriente de base para el otro transistor, reduciendo así la corriente de base para el primer transistor. El círculo vicioso continúa rápidamente hasta que ambos transistores caen en corte: (Figura abajo)

Si el voltaje cae demasiado bajo, ambos transistores se apagan.

Aquí, la retroalimentación positiva vuelve a funcionar: el hecho de que el ciclo de causa/efecto entre ambos transistores sea “vicioso” (una disminución de la corriente a través de uno funciona para disminuir la corriente a través del otro, disminuyendo aún más la corriente a través del primer transistor) indica una relación positiva entre la salida (controlada actual) y entrada (controlando la corriente a través de las bases de los transistores).

La curva resultante en la gráfica es clásicamente histéresis: a medida que la señal de entrada (voltaje) se incrementa y disminuye, la salida (corriente) no sigue el mismo camino bajando que subiendo: (Figura a continuación)

Curva histéresis

Dicho en términos simples, el diodo Shockley tiende a permanecer encendido una vez que está encendido, y permanecer apagado una vez que se apaga. No hay modo “intermedio” o “activo” en su funcionamiento: es un dispositivo puramente encendido o apagado, como lo son todos los tiristores.

Algunos términos especiales se aplican a los diodos Shockley y a todos los demás dispositivos de tiristores construidos sobre la base de diodos Shockley. Primero está el término utilizado para describir su estado “encendido”: enclavado. La palabra “pestillo” recuerda a un mecanismo de cerradura de puerta, que tiende a mantener la puerta cerrada una vez que se ha empujado para cerrar. El término disparo se refiere a la iniciación de un estado enclavado. Para que un diodo Shockley se bloquee, se debe aumentar el voltaje aplicado hasta que se alcance la ruptura. Aunque esta acción se describe mejor como ruptura del transistor, el término break over se usa en su lugar porque el resultado es un par de transistores en saturación mutua en lugar de destrucción del transistor. Un diodo Shockley bloqueado se vuelve a ajustar a su estado no conductor reduciendo la corriente a través de él hasta que se produce una caída de baja corriente.

Tenga en cuenta que los diodos Shockley pueden encenderse de una manera distinta a la ruptura: aumento excesivo de voltaje, o dv/dt. Si el voltaje aplicado a través del diodo aumenta a una alta tasa de cambio, puede activarse. Esto es capaz de provocar el enganche (encendido) del diodo debido a las capacitancias de unión inherentes dentro de los transistores. Los capacitores, como recordará, se oponen a los cambios de voltaje dibujando o suministrando corriente. Si el voltaje aplicado a través de un diodo Shockley aumenta a una velocidad demasiado rápida, esas diminutas capacitancias extraerán suficiente corriente durante ese tiempo para activar el par de transistores, encendiéndolos a ambos. Por lo general, esta forma de enganche no es deseable, y se puede minimizar filtrando alta frecuencia (aumentos rápidos de voltaje) del diodo con inductores en serie y redes paralelas de resistencia-condensador llamadas amortiguadores: (Figura a continuación)

Tanto el inductor en serie como el circuito “snubber” de condensador de resistencia paralela ayudan a minimizar la exposición del diodo Shockley a un voltaje excesivamente ascendente.

El límite de aumento de voltaje de un diodo Shockley se conoce como la tasa crítica de aumento de voltaje. Los fabricantes suelen proporcionar esta especificación para los dispositivos que venden.

Revisar

• Los diodos Shockley son dispositivos semiconductores PNPN de cuatro capas. Estos se comportan como un par de transistores PNP y NPN interconectados.
• Como todos los tiristores, los diodos Shockley tienden a permanecer encendidos una vez encendidos (enganchados), y permanecen apagados una vez apagados.
• Para bloquear un diodo Shockley excede el voltaje de ruptura de ánodo-cátodo, o exceder la tasa crítica de ánodo-cátodo de aumento de voltaje.
• Para hacer que un diodo Shockley deje de conducir, reduzca la corriente que lo atraviesa a un nivel por debajo de su umbral de caída de baja corriente.