肖克利二极管原理、方程推导及应用特性

肖克利二极管由肖克利半导体实验室于1950年底制造和推出的，这个二极管的名字取自发明者威廉·布拉德福德·肖克利”，也是晶闸管系列的第一款器件。因此，肖克利二极管有助于创建其他类型的晶闸管，例如TRIAC、DIAC和SCR。

肖克利二极管是一个四层半导体二极管，相当于一个包括断开栅极的晶闸管。在本文中，小编简单介绍下肖克利二极管原理、方程推导及应用特性等相关内容。

肖克利二极管的概念

肖克利二极管是一种半导体开关二极管，它包括像PNPN一样的四层和像阳极和阴极一样的两个端子，这种二极管也称为PNPN二极管或四层二极管。

肖克利二极的功能类似于排除任何触发输入的普通二极管，这些二极管仅包括两个条件，例如ON或OFF，因此，这些二极管被归类为晶闸管。肖克利二极管具有负电阻特性，这意味着当器件两端的电压增加时，通过它的电流将减少，肖克利二极管符号如下图所示。

双极管的等效电路如下所示：

在上图中，J1结可以形成在T1晶体管的发射极 - 基极 (EB) 结处，J2结可以形成在T1和T2之间的基极 - 集电极 (BC) 结处，J3结可以形成在T2晶体管的BE结处。

这四层将在内部包括两个晶体管。因此，J1是T1晶体管的EB结，J2结是T1和T2晶体管的公共连接的BC，而T2晶体管的BE结是J3。

当该二极管在正向偏置下工作时，J1和J3等两个结都正向偏置，而J2结反向偏置。同样，一旦J1和J3以反向偏置连接且J2正向偏置，则设备将开始在此模式下工作。但是，当二极管在反向偏置模式下工作且电压高于击穿电压时，二极管将被损坏。所以这个二极管只在正向偏置模式下工作。

肖克利二极管方程推导

肖克利二极管方程提供了二极管在正向偏压或反向偏压下的IV特性。因此，肖克利二极管方程可以给出：

I = Is( e^Vd/(nVt)-1

其中，“I”是二极管电流，'Is' 是反向偏置的饱和电流，Vd是二极管两端的电压，Vt是热电压，“n”是理想因子或质量因子或发射系数，根据制造过程以及半导体材料，该因子“n”在1到2的范围内。

另外，像“Vt”这样的热电压在300K的温度下约为25.85mV，该温度接近于设备仿真软件中通常使用的室温。因此，在任何温度下，它都是一个称为常数，可由下式给出：

Vt=kT/q

其中，“k”是玻尔兹曼常数，'T' 是PN结的绝对温度，“q”是电子的电荷量。

特征肖克利二极管的特性

特征肖克利二极管的VI特性如下图所示：

上图是肖克利二极管的电压电流特性，该二极管包括导电和不导电两种工作条件。在非导通状态下，该二极管通过可忽略不计的电流在较低的线路上工作，并且电压小于断开过电压或开关电压。

一旦电压试图超过击穿电压，则器件将击穿并通过虚线在导通状态或导通状态的方向上切换。在这里，虚线被称为不稳定的临时条件。

在这条虚线上，设备会在短时间内保持这种状态，因为它在两个稳定的工作条件之间切换。在导通状态或导通状态下，器件可以工作在较高的线上，如果流经器件的电流高于保持电流（I H），则其两端的电压略高于拐点电压（VK） . 一旦电流下降到保持电流水平以下，则器件将通过虚线切换回关闭状态或非导通状态。

关于击穿电压和反向击穿电压

一旦这个二极管正向偏置，它就会为电流提供高电阻。一旦正向电压增加，J2结处的反向偏压也会增加。在击穿电压VBo下，J2结发生反向击穿。这种击穿会降低电阻，二极管将提供较小的电阻。因此，它进入导通状态并充当开关，所以电流开始流过它。

类似地，在反向偏置条件下，如果充分提高反向电压，则反向电压达到反向击穿电压（VBR）。所以在这个电压下，像J1和j3这样的两个结将进入反向电压击穿。流经它们的电流会快速增加，并且这种电流产生的热量可能会损坏设备。所以这个二极管永远不会在高于反向击穿电压的反向电压下工作。

肖克利二极管作为触发开关

肖克利二极管用作开关电路来接通可控硅整流器。在下面的电路中，可控硅可以通过肖克利二极管激活，RC网络通过直流电源驱动二极管。

当提供Vdc时，二极管将正向偏置，电容器通过电阻充电。一旦电容器的充电电压达到二极管的击穿电压，二极管将开始导通，电容器将开始在整个二极管中放电。该二极管的导通将使可控硅导通状态，之后蜂鸣器将产生报警。

一旦SCR接通，它将保持在锁存状态。所以电路中的二极管不会使可控硅关断。但是，可以通过选择适当的电容和电阻元件值来控制SCR触发时间。

肖特基二极管与肖克利二极管

下面简单对比下肖特基二极管和肖克利二极管之间的区别：

肖特基二极管优缺点

肖克利二极管的优点包括以下几方面内容：

• 具有很快的开关速度。
• 与晶体管相比，它的性能更高，因为它的结构包括两个通过公共端子连接的晶体管。
• 具有被锁定到开启状态。
• 正向压降很低，因此功耗也很低。
• 反向电压很容易被阻断。
• 可以通过保险丝进行过电流保护。

• 构造有些复杂，因为它使用了四个半导体材料层。
• 仅在一个方向上进行。
• 由于速率效应，它可以突然打开。
• 关闭并不简单。
• 无法快速控制。
• 不包括任何控制终端。
• 在正向击穿电压之上没有控制。

肖克利二极管应用

肖克利二极管的应用包括以下几方面内容：

• 可用作电路内的触发开关，以打开SCR。
• 可用于张弛振荡器。

总结

以上就是关于肖克利二极管原理、方程推导及应用特性等相关知识内容，与转折电压相比，当正向电压低于此二极管时，该二极管提供非常高的电阻并且实际上不传导电流。同样，一旦电压高于转折值，该二极管提供的电阻非常小。