1.2 PNPN二极管或Shockley二极管

在本教程中，我们将学习肖克莱二极管。尽管它在商业上并不常见（其生产在20世纪50年代停止），且并非特别有用，但肖克莱二极管的模型技术对于创建其他类型的晶闸管（如可控硅、DIAC和TRIAC等）非常有用。

它是晶闸管家族设备的第一个成员，以发明者威廉·布拉德福德·肖克莱的名字命名。一旦我们理解了这种二极管的基本工作原理，我们将更容易理解晶闸管中涵盖的后续概念。让我们了解一下肖克莱二极管的工作原理和应用。

肖克莱二极管或PNPN二极管是一种四层（P-N-P-N）、两终端（即阳极和阴极）的半导体开关器件。它也被称为四层二极管。在没有触发输入的情况下，它像普通二极管一样工作：在反向偏置条件下，没有电流通过；在正向偏置条件下，当其两端电压超过其转折电压时，电流通过。

这些二极管只有两种状态，要么导通（ON），要么截止（OFF），因此它们被归类为晶闸管。肖克莱二极管的基本结构、双晶体管等效模型和符号如下图所示。

这种二极管的结构很简单：通过连接四层形成PNPN结。使用两个晶体管的等效电路如上图所示，其中晶体管T1的集电极连接到T2的基极。

J1结形成于T1的发射极-基极结，J2结形成于T1和T2之间共用的基极-集电极结，J3结形成于T2的基极-发射极结。因此，作为发射极-基极结，J1和J3必须正向偏置，而作为集电极-基极结，J2必须反向偏置，以实现线性工作。

如上所述，这些二极管包含三个结：J1、J2和J3。当电压施加到二极管上，使阳极相对于阴极为正时，J1和J3结正向偏置，J2结反向偏置。

当二极管两端的电压低于转折电压时，像一个断开的开关一样，该二极管表现出很高的电阻，不允许电流通过。一旦达到转折电压（随着正向电压的增加），由于J2结的击穿，它表现出很低的电阻。

因此，它像一个短路一样工作，允许电流流动，直到电流达到二极管的维持电流水平。通过二极管的正向电流取决于施加的电压和外部负载电阻。下图显示了肖克莱二极管在导通和非导通状态下的伏安特性，其中只有当电压超过转折电压 $V_{BO}$ 时，才会出现导通状态电流。

当阳极相对于阴极为负时，J1和J3结反向偏置，J2结正向偏置。如果反向偏置电压增加（超过肖克莱二极管的击穿电压），J1和J3反向偏置，那么反向电流将通过二极管流动，如上图所示。

这种反向电流会产生热量，进一步可能会损坏整个二极管。因此，肖克莱二极管不应在反向偏置条件下工作，且电压等于反向击穿电压。

一旦肖克莱二极管导通，它就像一个闭合的开关，对电流流动提供很低的电阻。要使二极管截止（或像一个断开的开关），施加的电压必须降低到一个值，使得通过二极管的电流小于二极管的维持电流(I_H)。在这种状态下，J2结从反向击穿状态恢复到其高电阻值。

肖克莱二极管主要用于开关应用。下面讨论了肖克莱二极管作为弛张振荡器和触发开关的两个主要重要应用。

下图展示了一个使用肖克莱二极管的弛张振荡器电路。在这个电路中，二极管连接在电容和电源电池之间。

当电池电压施加到电路时，电容通过电阻(R)充电。当施加的电压或电容两端的电压超过肖克莱二极管的转折电压时，二极管导通并作为开关工作。

这使得电容通过二极管迅速放电。当通过二极管的电流小于二极管的维持电流时，二极管截止，电容再次充电。电容两端的电压如下图所示，参考点的电压大于零伏，因为电容不会完全放电。

肖克莱二极管最常见的应用是开关电路，用于触发可控硅。在下图电路中，可控硅由肖克莱二极管触发。电阻和电容的RC网络由直流电源供电，驱动肖克莱二极管。

当施加 $V_{DC}$ 时，肖克莱二极管正向偏置，电容也开始通过电阻充电。当电容的充电电压达到二极管的转折电压时，二极管开始导电，电容开始通过二极管放电。

肖克莱二极管的导电使可控硅进入导通状态，然后蜂鸣器发出警报。一旦可控硅导通，它将保持在锁定或导通状态，直到电源被切断或对可控硅应用换流技术。因此，门极或肖克莱二极管电路对使可控硅截止没有影响。然而，通过选择合适的电容和电阻值，可以控制可控硅的触发时间。