La diode Shockley

Notre exploration des thyristors commence par un dispositif appelé diode à quatre couches, également connue sous le nom de diode PNPN, ou diode Shockley du nom de son inventeur, William Shockley. A ne pas confondre avec une diode Schottky, ce dispositif métal-semi-conducteur à deux couches connu pour sa vitesse de commutation élevée. Une illustration grossière de la diode Shockley, souvent vue dans les manuels, est un sandwich à quatre couches de matériau semi-conducteur P-N-P-N, figure ci-dessous.

Malheureusement, cette simple illustration n'éclaire en rien le spectateur sur son fonctionnement ou son pourquoi. Considérez un autre rendu de la construction de l'appareil dans la figure ci-dessous.

Montré comme ceci, il semble être un ensemble de transistors bipolaires interconnectés, l'un PNP et l'autre NPN. Dessinée à l'aide de symboles schématiques standard et en respectant les concentrations de dopage des couches non montrées dans la dernière image, la diode Shockley ressemble à ceci (Figure ci-dessous)

Connectons l'un de ces appareils à une source de tension variable et voyons ce qui se passe.

Sans tension appliquée, bien sûr, il n'y aura pas de courant. Comme la tension est initialement augmentée, il n'y aura toujours pas de courant car aucun des transistors n'est capable de s'allumer :les deux seront en mode de coupure. Pour comprendre pourquoi, considérez ce qu'il faut pour allumer un transistor à jonction bipolaire :le courant traversant la jonction base-émetteur. Comme vous pouvez le voir sur le schéma, le courant de base à travers le transistor inférieur est contrôlé par le transistor supérieur et le courant de base à travers le transistor supérieur est contrôlé par le transistor inférieur. En d'autres termes, aucun transistor ne peut s'allumer jusqu'à ce que l'autre transistor s'allume. Ce que nous avons ici, en termes vernaculaires, est connu sous le nom de Catch-22.

Activation et désactivation de la diode Shockley

Alors, comment une diode Shockley peut-elle jamais conduire du courant, si ses transistors constitutifs se maintiennent obstinément dans un état de coupure ? La réponse réside dans le comportement des transistors réels par opposition aux transistors idéaux. Un transistor bipolaire idéal ne conduira jamais de courant de collecteur si aucun courant de base ne circule, quelle que soit la tension que nous appliquons entre le collecteur et l'émetteur. Les vrais transistors, en revanche, ont des limites définies quant à la tension collecteur-émetteur que chacun peut supporter avant de tomber en panne et de conduire. Si deux vrais transistors sont connectés de cette manière pour former une diode Shockley, chacun conduira si une tension suffisante est appliquée par la batterie entre l'anode et la cathode pour provoquer la panne de l'un d'eux. Une fois qu'un transistor tombe en panne et commence à conduire, il permet au courant de base de traverser l'autre transistor, ce qui l'amène à s'allumer de manière normale, ce qui permet alors au courant de base de traverser le premier transistor. Le résultat final est que les deux transistors seront saturés, maintenant l'un l'autre allumé au lieu d'être éteint.

Ainsi, nous pouvons forcer une diode Shockley à s'allumer en appliquant une tension suffisante entre l'anode et la cathode. Comme nous l'avons vu, cela entraînera inévitablement l'activation de l'un des transistors, ce qui activera ensuite l'autre transistor, ce qui finira par « verrouiller » les deux transistors où chacun aura tendance à rester. Mais comment faire pour que les deux transistors s'éteignent à nouveau ? Même si la tension appliquée est réduite à un point bien inférieur à ce qu'il a fallu pour que la diode Shockley soit conductrice, elle restera conductrice car les deux transistors ont maintenant un courant de base pour maintenir une conduction régulière et contrôlée. La réponse à cela est de réduire la tension appliquée à un point beaucoup plus bas où trop peu de courant circule pour maintenir la polarisation du transistor, auquel point l'un des transistors se coupera, ce qui interrompra ensuite le courant de base à travers l'autre transistor, scellant les deux transistors dans le état « éteint » comme chacun était avant qu'aucune tension ne soit appliquée.

Tension vs Courant dans le circuit d'une diode Shockley

Si nous traçons cette séquence d'événements et traçons les résultats sur un graphique I/V, l'hystérésis est évidente. Tout d'abord, nous allons observer le circuit car la source de tension continue (batterie) est réglée sur une tension nulle :(Figure ci-dessous)

Ensuite, nous augmenterons régulièrement la tension continue. Le courant dans le circuit est à zéro ou presque, car la limite de claquage n'a été atteinte pour aucun des transistors.

Lorsque la limite de claquage de tension d'un transistor est atteinte, il commencera à conduire le courant de collecteur même si aucun courant de base ne l'a encore traversé. Normalement, ce type de traitement détruirait un transistor à jonction bipolaire, mais les jonctions PNP comprenant une diode Shockley sont conçues pour résister à ce type d'abus, de la même manière qu'une diode Zener est conçue pour gérer le claquage inverse sans subir de dommages. Par souci d'illustration, je suppose que le transistor inférieur tombe en panne en premier, envoyant du courant à travers la base du transistor supérieur :(Figure ci-dessous)

Lorsque le transistor supérieur reçoit le courant de base, il s'allume comme prévu. Cette action permet au transistor inférieur de conduire normalement, les deux transistors se « scellant » à l'état « passant ». Le plein courant est rapidement vu dans le circuit :(Figure ci-dessous)

Les commentaires positifs mentionnés plus haut dans ce chapitre sont clairement évidents ici. Lorsqu'un transistor tombe en panne, il laisse passer le courant à travers la structure du dispositif. Ce courant peut être considéré comme le signal de « sortie » de l'appareil. Une fois qu'un courant de sortie est établi, il maintient les deux transistors en saturation, assurant ainsi le maintien d'un courant de sortie substantiel. En d'autres termes, un courant de sortie « retourne » positivement à l'entrée (courant de base du transistor) pour maintenir les deux transistors à l'état « on », se renforçant (ou se régénérant) ainsi.

Avec les deux transistors maintenus dans un état de saturation avec la présence d'un courant de base suffisant, chacun continuera à conduire même si la tension appliquée est considérablement réduite par rapport au niveau de claquage. L'effet de la rétroaction positive est de maintenir les deux transistors dans un état de saturation malgré la perte du stimulus d'entrée (la haute tension d'origine nécessaire pour briser un transistor et provoquer un courant de base à travers l'autre transistor) :(Figure ci-dessous)

Si la source de tension continue est trop baissée, le circuit finira par atteindre un point où il n'y aura pas assez de courant pour maintenir les deux transistors en saturation. Comme un transistor passe de moins en moins de courant de collecteur, il réduit le courant de base pour l'autre transistor, réduisant ainsi le courant de base pour le premier transistor. Le cercle vicieux se poursuit rapidement jusqu'à ce que les deux transistors tombent en coupure :(Figure ci-dessous)

Ici, la rétroaction positive est à nouveau à l'œuvre :le fait que le cycle de cause à effet entre les deux transistors soit « vicieux » (une diminution du courant dans l'un fonctionne pour diminuer le courant dans l'autre, ce qui diminue encore le courant dans le premier transistor) indique un relation entre la sortie (courant contrôlé) et l'entrée (courant de contrôle à travers les bases des transistors).

La courbe résultante sur le graphique est classiquement hystérétique :lorsque le signal d'entrée (tension) augmente et diminue, la sortie (courant) ne suit pas le même chemin en descendant qu'en montant :(Figure ci-dessous)

En termes simples, la diode Shockley a tendance à rester allumée une fois allumée et à rester éteinte une fois éteinte. Pas de mode « intermédiaire » ou « actif » dans son fonctionnement :il s'agit d'un dispositif purement marche ou arrêt, comme le sont tous les thyristors.

Termes particuliers à noter

Quelques termes particuliers s'appliquent aux diodes Shockley et à tous les autres dispositifs à thyristors construits sur la base de la diode Shockley. Le premier est le terme utilisé pour décrire son état « on » :verrouillé. Le mot « loquet » rappelle un mécanisme de verrouillage de porte, qui a tendance à maintenir la porte fermée une fois qu'elle a été fermée. Le terme tir fait référence à l'initiation d'un état verrouillé. Pour qu'une diode Shockley se verrouille, la tension appliquée doit être augmentée jusqu'à ce que la rupture soit atteinte. Bien que cette action soit mieux décrite comme un claquage de transistor, le terme de rupture est utilisé à la place car le résultat est une paire de transistors en saturation mutuelle plutôt que la destruction du transistor. Une diode Shockley verrouillée est remise dans son état non conducteur en réduisant le courant qui la traverse jusqu'à ce qu'une chute de courant faible se produise.

Notez que les diodes Shockley peuvent être déclenchées d'une autre manière que le breakover :élévation de tension excessive, ou dv/dt. Si la tension appliquée aux bornes de la diode augmente à un rythme élevé, cela peut se déclencher. Cela peut provoquer le verrouillage (allumage) de la diode en raison des capacités de jonction inhérentes aux transistors. Les condensateurs, comme vous vous en souvenez peut-être, s'opposent aux changements de tension en tirant ou en fournissant du courant. Si la tension appliquée aux bornes d'une diode Shockley augmente trop rapidement, ces minuscules capacités tireront suffisamment de courant pendant ce temps pour activer la paire de transistors, les activant tous les deux. Habituellement, cette forme de verrouillage est indésirable et peut être minimisée en filtrant les hautes fréquences (élévations rapides de tension) de la diode avec des inductances en série et des réseaux parallèles résistance-condensateur appelés amortisseurs :(Figure ci-dessous)

La limite d'augmentation de tension d'une diode Shockley est appelée vitesse critique d'augmentation de tension. Les fabricants fournissent généralement cette spécification pour les appareils qu'ils vendent.

AVIS :

• Les diodes Shockley sont des dispositifs semi-conducteurs PNPN à quatre couches. Ceux-ci se comportent comme une paire de transistors PNP et NPN interconnectés.
• Comme tous les thyristors, les diodes Shockley ont tendance à rester allumées une fois allumées (verrouillées) et à rester éteintes une fois éteintes.
• Pour verrouiller une diode Shockley, dépassez la tension de rupture anode-cathode ou dépassez le taux critique d'augmentation de tension anode-cathode.
• Pour qu'une diode Shockley cesse de conduire, réduisez le courant qui la traverse à un niveau inférieur à son seuil de chute de courant faible.