Tiristores

DIODO SHOCKLEY

Nuestra exploración de los tiristores comienza con un dispositivo llamado el diodo de cuatro capas, también conocido como diodo PNPN o Diodo Shockley; su inventor: William Shockley. Este no debe ser confundido con un diodo Schottky, que es un dispositivo de metal semiconductor de dos capas conocido por su alta velocidad de conmutación. Una ilustración burda del Diodo Shockley vista a menudo en los libros de texto, es un sándwich de cuatro capas de material semiconductor de P-N-P-N, como en la figura a continuación.

Shockley o diodo de 4 capas

Lamentablemente, esta ilustración simple no hace nada para que se ilumine al lector sobre cómo funciona o por qué. Considere una representación alternativa de construcción del dispositivo en la siguiente figura.

Equivalente a base de transistores en el Diodo Shockley

Mostrado así, este parece ser un conjunto de transistores bipolares interconectados, uno PNP y otro NPN. Dibujado utilizando símbolos esquemáticos estándar y respetando las concentraciones de dopaje en las capas que no se muestran en la última imagen, el Diodo Shockley se parece a este (figura en la siguiente página)

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

Conectemos uno de esos dispositivos a una fuente de voltaje variable y veamos qué pasa: (figura de abajo).

Circuito equivalente del Diodo Shockley, energizado.

Si no hay voltaje aplicado, naturalmente no habrá ninguna corriente. Cuando inicialmente se incrementa la tensión, aún no habrá ninguna corriente porque ninguno de los dos transistores es capaz de encender: ambos estarán en modo de corte. Para entender por qué es esto, considere lo que se necesita para encender un transistor de unión bipolar: corriente a través de la Unión base-emisor. Como se puede ver en el diagrama, la corriente de base en el transistor inferior está controlada por el transistor superior, y la corriente de base en el transistor superior está controlada por el transistor inferior. En otras palabras, ningún transistor puede encender hasta que se encienda el otro transistor. Lo que tenemos aquí, en términos vulgares, es conocido como un Catch-22.

Entonces, ¿cómo puede un Diodo Shockley conducir corriente, si sus transistores constituyentes obstinadamente se mantienen en un estado de corte? La respuesta radica en el comportamiento de los transistores reales en lugar de los transistores ideales. Un transistor bipolar ideal nunca conducirá corriente de colector si no fluye corriente de base, no importa cuánto voltaje apliquemos entre colector y emisor. Los transistores reales, por el contrario, tienen límites definidos a cuánta tensión colector-emisor cada uno puede soportar antes de romperse y entrar en conducción. Si se conectan dos transistores reales

de esta manera formar un Diodo Shockley, cada uno conducirá si se aplica suficiente voltaje de la batería entre ánodo y cátodo para causar que uno de ellos se rompa. Una vez que un transistor se rompe y comienza a conducir, este permitirá el paso de la corriente de base a través del otro transistor, causando que se encienda de manera normal, lo que permite entonces que fluya la corriente de base a través del primer transistor. El resultado final es que ambos transistores estarán saturados, manteniéndose ahora encendidos entre sí en lugar de apagados.

Así, podemos forzar un Diodo Shockley a encenderse aplicando suficiente voltaje entre ánodo y cátodo. Como hemos visto, esto inevitablemente hará que uno de los transistores encienda, lo cual entonces enciende el otro transistor, finalmente "asegurando" ambos transistores en el estado encendido donde cada uno tenderá a permanecer. Pero ¿cómo hacemos ahora que los dos transistores vuelvan a apagarse? Incluso si la tensión se reduce a un punto muy por debajo de lo que se necesitó para hacer que el Diodo Shockley empezara a conducir, éste permanecerá conduciendo porque ambos transistores tienen ahora corriente de base para mantener una conducción controlada regular. La respuesta a esto es reducir el voltaje aplicado a un punto mucho más bajo, donde fluya una corriente demasiado pequeña para mantener la polarización del transistor, momento en el que uno de los transistores entrará en corte, lo que luego detiene el flujo de la corriente de base a través del otro transistor, sellando ambos transistores en el estado de apagado como cada uno se encontraba antes de cualquier aplicación de voltaje inicial.

Si graficamos esta secuencia de acontecimientos y trazamos los resultados en un gráfico I - V, la histéresis es evidente. En primer lugar, observaremos el circuito como la fuente de voltaje de DC (batería) se establece en cero: (figura de abajo)

Cero voltaje aplicado; cero corriente

A continuación, constantemente se aumentará la tensión de CC. La corriente a través del circuito es o casi es cero, debido a que no se ha alcanzado el límite de ruptura para cualquiera de los dos transistores: (figura página siguiente)

Un poco de voltaje aplicado; aún no hay corriente

Cuando se alcanza el límite de ruptura de la tensión de uno de los transistores, empezará a conducir corriente de colector a pesar de que aún no hay corriente de base a través de él. Normalmente, este tipo de tratamiento destruiría un transistor de unión bipolar, pero las uniones PNP que contiene un Diodo Shockley están diseñadas para manejar este tipo de abusos, similar a la manera en que un diodo Zener está construido para manejar ruptura inversa sin daños sustanciales. En aras de la ilustración podrá asumir que el transistor inferior se “rompe” primero, permitiendo así el envío de corriente a través de la base del transistor superior: (figura de abajo)

Más voltaje aplicado; el transistor inferior “rompe” su barrera

Como el transistor superior recibe corriente de base, se enciende como se esperaba. Esta acción permite que el transistor inferior conduzca normalmente, "sellando" los dos transistores a sí mismos en el estado de encendido. Rápidamente se ve corriente total en el circuito: (figura siguiente)

Los transistores están ahora en estado de saturación o máxima conducción.

La realimentación positiva mencionada anteriormente en este capítulo es evidente aquí. Cuando uno de los transistores se “rompe”, permite corriente a través de la estructura del dispositivo. Esta corriente puede considerarse como la señal de "salida" del dispositivo. Una vez que se establece una corriente de salida, ésta trabaja para mantener ambos transistores en saturación, garantizando así la continuación de una corriente de salida substancial. En otras palabras, una

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