دیود شاکلی (Shockley Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود شاکلی (Shockley Diode) :
دیود شاکلی (Shockley Diode) که با نام دیود چهارلایه (Four-Layer Diode) یا PNPN Diode نیز شناخته می شود، اولین قطعه از خانواده تریستورها (Thyristors) است که توسط ویلیام شاکلی (William Shockley) اختراع شد. این دیود یک قطعه نیمه هادی چهارلایه با سه پیوند PN (PNPN) است که دارای دو حالت پایدار: حالت قطع (OFF) با امپدانس بالا و حالت هدایت (ON) با امپدانس پایین می باشد. این قطعه یک سوئیچ دوطرفه (Bidirectional Switch) نیست، بلکه یکسویه (Unidirectional) است.
ساختار دیود شاکلی شامل چهار لایه نیمه هادی متناوب P و N به صورت P1-N1-P2-N2 است. این ساختار را می توان معادل دو ترانزیستور BJT (یکی PNP و دیگری NPN) در نظر گرفت که به صورت متقاطع به هم متصل شده اند. پایانه های آند (Anode) به لایه P1 و کاتد (Cathode) به لایه N2 متصل می شود. دیود شاکلی دو پایانه دارد و فاقد پایه گیت (Gate) است.
مشخصه جریان-ولتاژ (I-V Curve) دیود شاکلی منحصر به فرد است. در بایاس مستقیم (آند مثبت نسبت به کاتد)، تا رسیدن به ولتاژ شکست (Breakover Voltage - V_BO)، دیود در حالت قطع (Off State) با جریان نشتی بسیار کم (چند میکروآمپر) قرار دارد. با رسیدن ولتاژ به V_BO، دیود به حالت هدایت (On State) سوئیچ می کند و ولتاژ دو سر آن به ولتاژ نگهدارنده (Holding Voltage - V_H) که حدود ۱ ولت است، کاهش می یابد. در این حالت، جریان توسط مدار خارجی محدود می شود. برای خاموش کردن دیود، باید جریان از جریان نگهدارنده (Holding Current - I_H) کمتر شود.
مکانیزم سوئیچینگ دیود شاکلی بر اساس بازخورد مثبت (Positive Feedback) بین دو ترانزیستور داخلی است. با افزایش ولتاژ آند، پیوند مرکزی N1-P2 (که در بایاس معکوس است) دچار شکست بهمنی (Avalanche Breakdown) می شود. این امر باعث تزریق حامل ها به پایه های ترانزیستورها شده و جریان افزایش می یابد. افزایش جریان باعث فعال تر شدن ترانزیستورها و افزایش بیشتر جریان می شود تا جایی که هر دو ترانزیستور به اشباع رفته و دیود در حالت هدایت قرار می گیرد.
پارامترهای مهم دیود شاکلی عبارتند از: ولتاژ شکست (V_BO) که ولتاژی است که دیود در آن سوئیچ می کند (معمولا بین ۲۰ تا ۲۰۰ ولت)، جریان نگهدارنده (I_H) که حداقل جریان برای حفظ حالت هدایت است، جریان در حالت هدایت (I_ON) که توسط مدار محدود می شود، و ولتاژ هدایت (V_ON) که حدود ۱-۲ ولت است.
کاربرد اصلی دیود شاکلی به عنوان یک کلید (Switch) در مدارات راه انداز (Trigger Circuits) و مولدهای پالس (Pulse Generators) است. از آن می توان برای تولید پالس های تیز (Sharp Pulses) با تخلیه یک خازن در هنگام رسیدن ولتاژ به V_BO استفاده کرد. این مدارات در فلیشرهای دوربین (Camera Flashers) و مدارات زمان سنج (Timing Circuits) کاربرد دارند.
کاربرد دیگر در مدارات حفاظت ولتاژ (Voltage Protection) است. مانند دیود زنر، می توان از دیود شاکلی برای محدود کردن ولتاژ اضافی استفاده کرد. وقتی ولتاژ از V_BO فراتر رود، دیود هدایت کرده و ولتاژ را محدود می کند. اما برخلاف زنر، دیود شاکلی پس از هدایت، ولتاژ را تا V_H پایین نگه می دارد که ممکن است برای مدار مطلوب نباشد.
دیود شاکلی همچنین به عنوان یک المان پایه در ساخت سایر قطعات خانواده تریستور مانند SCR (Silicon Controlled Rectifier)، TRIAC، و DIAC استفاده می شود. در واقع SCR یک دیود شاکلی با یک پایه گیت اضافی است که امکان کنترل ولتاژ شکست را فراهم می کند.
محدودیت های دیود شاکلی شامل عدم توانایی در خاموش شدن با ولتاژ گیت (چون گیت ندارد) و نیاز به کاهش جریان از I_H برای خاموش شدن است. این بدان معناست که برای خاموش کردن دیود، باید جریان مدار قطع شود یا به زیر I_H برسد. این ویژگی کاربرد آن را در مدارات DC محدود می کند، مگر اینکه مدار به گونه ای طراحی شود که جریان به صفر برسد.
مواد سازنده دیود شاکلی معمولا سیلیکون (Silicon) است. ساختار آن مشابه SCR است اما بدون پایه گیت. امروزه دیود شاکلی به ندرت به صورت قطعه مجزا استفاده می شود و بیشتر کاربردهای آن توسط SCRها و TRIACهای کنترل شونده با گیت پوشش داده می شود.
در نهایت، دیود شاکلی به عنوان نیای خانواده تریستورها، نقش تاریخی مهمی در الکترونیک قدرت دارد. اگرچه امروزه کمتر به صورت مستقیم استفاده می شود، اما درک عملکرد آن برای فهمیدن نحوه کار قطعات پیشرفته تری مانند SCR، TRIAC، و GTO ضروری است. این دیود نشان دهنده اولین گام در جهت ساخت قطعات سوئیچینگ قابل کنترل با قدرت بالا بود.
