Δομή και γενικά χαρακτηριστικά
Ο ημιαγωγός Ρ-Ν-Ρ-Ν ή δίοδος Ρ-Ν-Ρ-Ν είναι ένας κρύσταλλος με τέσσερις εμπλουτισμένες περιοχές, δύο τύπου Ν και δύο τύπου Ρ, οι οποίες εναλλάσσονται διαδοχικά (βλ. σχήμα). Το πάχος και ιδιαίτερα το επίπεδο εμπλουτισμού διαφέρει σε κάθε περιοχή και συγκεκριμένα είναι πολύ υψηλό στις ακραίες περιοχές και πολύ χαμηλό στον ενδιάμεσο ημιαγωγό τύπου Ν. Η δίοδος Ρ-Ν-Ρ-Ν ονομάζεται και δίοδος Shockey.
Το ηλεκτρόδιο το οποίο συνδέεται στον ακραίο ημιαγωγό τύπου Ρ ονομάζεται άνοδος (Α). Αντίστοιχα το ηλεκτρόδιο το οποίο συνδέεται στον ακραίο Ν-τύπου ημιαγωγό ονομάζεται κάθοδος (Κ).
Βασικό χαρακτηριστικό τόσο αυτής της δομής όσο και όλων των άλλων δομών οι οποίες βασίζονται σε αυτή είναι το φαινόμενο της εσωτερικής ανατροφοδότησης, ανάδρασης, την οποία παρουσιάζουν. Η ανατροφοδότηση αυτή οφείλεται αποκλειστικά στη δομή τους, δηλαδή την αλληλουχία των περιοχών καθώς και των διαστάσεων και επιπέδων εμπλουτισμούν των περιοχών αυτών. Η εσωτερική ανατροφοδότηση αναγκάζει αυτές τις διατάξεις να λειτουργούν μόνο σε δυο σταθερές καταστάσεις, μια αγώγιμη (ΟΝ) και μια μη αγώγιμη (OFF). Στην κατάσταση ΟΝ η αντίσταση της διόδου είναι μικρότερη των 10Ω ενώ στην κατάσταση OFF η αντίσταση της διόδου κυμαίνεται από 1ΜΩ έως 100ΜΩ. Ένα επιπλέον χαρακτηριστικό αυτών των διατάξεων είναι ότι και στις δυο σταθερές καταστάσεις τους η κατανάλωση ισχύος είναι πολύ μικρή, γεγονός το οποίο τις κάνει ιδιαίτερα χρήσιμες σε εφαρμογές ελέγχου της ισχύος.
Όταν, λοιπόν, μια δίοδος Ρ-Ν-Ρ-Ν συνδεθεί σε μια πηγή έτσι ώστε η άνοδος της να συνδεθεί στο θετικό πόλο πηγής και η κάθοδος της στον αρνητικό πόλο της πηγής, παρουσιάζει τις δυο σταθερές καταστάσεις αγωγιμότητας. Η πόλωση αυτή καλείται ορθή. Σε ανάστροφη πόλωση η δίοδος συμπεριφέρεται όπως μια τυπική δίοδος με πολύ χαμηλό ρεύμα κόρου και σε υψηλές τάσεις εμφανίζεται η τάση διάσπασης VBR (βλ. σχήμα).
Επειδή η δίοδος αποτελείται από τέσσερα στρώματα μοιάζει σαν να αποτελείται από τρεις διόδους D1, D2, και D3 (βλ. σχήμα) συνδεμένες σε σειρά. Οι D1 και D3 έχουν την ίδια διεύθυνση και η D2 είναι ανάστροφα συνδεμένη. Όταν η δίοδος συνδεθεί μέσω αντίστασης στα άκρα μιας πηγής και εφαρμοστεί ορθή πόλωση οι δίοδοι D1 και D3 πολώνονται ορθά ενώ η D2 πολώνεται ανάστροφα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η εξωτερικά εφαρμοζόμενη τάση να εμφανίζεται, σχεδόν όλη, στα άκρα της D2 και το ρεύμα, το οποίο διαρρέει τη διάταξη είναι μικρό. Αύξηση της τάσης της πηγής έχει ως αποτέλεσμα μικρή αύξηση του ρεύματος της διάταξης. Όταν η τάση της πηγής υπερβεί μια τιμή, η οποία ονομάζεται ορθή τάση διάσπασης και συμβολίζεται με VBO το ρεύμα αυξάνει απότομα και η τάση στα άκρα της διόδου ελαττώνεται σχεδόν ακαριαία (βλ. σχήμα). Σε αυτή την τάση σκανδαλισμού η δίοδος μεταβαίνει από την κατάσταση OFF στην ΟΝ. Το ρεύμα το οποίο αντιστοιχεί στην τάση σκανδαλισμού είναι το ΙΒΟ . Η περιοχή στην οποία η δίοδος βρίσκεται σε κατάσταση ΟΝ ονομάζεται περιοχή κόρου και λέμε ότι τότε η διάταξη έχει μανδαλωθεί.
Αν στην συνέχεια ελαττωθεί η τάση στα άκρα της διόδου, η διάταξη παραμένει στην κατάσταση ΟΝ έως ότου το ρεύμα ελαττωθεί στην τιμή ΙΗ που ονομάζεται ρεύμα συγκράτησης. Το ρεύμα ΙΗ είναι το ελάχιστο ρεύμα για να διατηρηθεί η κατάσταση ΟΝ. Στο ρεύμα συγκράτησης αντιστοιχεί η τάση συγκράτησης VH.
Αρχή λειτουργίας
Η λειτουργία της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν είναι δυνατό να εξηγηθεί με την αναγωγή της σε ένα κύκλωμα όπως αυτό του σχήματος.
Το κύκλωμα αυτό προκύπτει από το διαχωρισμό της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν σε δύο τμήματα έτσι ώστε στο ένα να έχουμε μια διαδοχή στρωμάτων Ρ-Ν-Ρ και στο άλλο Ν-Ρ-Ν (βλ. σχήμα). Κάθε τμήμα αντιστοιχεί σε ένα τρανζίστορ, το Ρ-Ν-Ρ στο Q1 και το Ν-Ρ-Ν στο Q2. Η περιοχή τύπου Ν που είναι η βάση του Q1 είναι ο συλλέκτης του Q2 και η περιοχή τύπου Ρ που είναι η βάση του Q2 είναι ο συλλέκτης του Q1. Έτσι το ρεύμα συλλέκτη του ενός “τρανζίστορ” είναι ρεύμα βάσης για το άλλο (βλ. σχήμα) δημιουργώντας ένα βρόγχο ο οποίος ξεκινά από τη βάση του Q1, περνά από το συλλέκτη του Q1, τη βάση του Q2 και το συλλέκτη του Q2 και καταλήγει πάλι στη βάση του Q1.
Με βάση τα παραπάνω, η χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης ερμηνεύεται ως εξής. Όταν η τάση στα άκρα της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν είναι μηδέν, τα τρανζίστορ δεν διαρρέονται από ρεύμα και βρίσκονται σε κατάσταση OFF. Αυξάνοντας την τάση στα άκρα της διόδου, η δίοδος συλλέκτη – βάσης κάθε τρανζίστορ πολώνεται ανάστρωφα. Έτσι, το ρεύμα, το οποίο διαρρέει κάθε δίοδο συλλέκτη είναι το ρεύμα κόρου (ανάστροφης πόλωσης) το οποίο είναι πολύ μικρό και δεν μπορεί να διεγείρει το σύστημα.
Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η δίοδος να παραμένει στη κατάσταση OFF. Η δομή της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν είναι τέτοια ώστε τα χαρακτηριστικά των τρανζίστορ να μεταβάλλονται με την τάση συλλέκτη – εκπομπού. Έτσι όταν η τάση στα άκρα της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν υπερβεί την τάση σκανδαλισμού τότε τα χαρακτηριστικά των τρανζίστορ και το ρεύμα κόρου κάθε διόδου συλλέκτη-βάσης είναι τέτοια ώστε να επιτρέψει την ανατροφοδότηση και να οδηγήσει τη δίοδο Ρ-Ν-Ρ-Ν σε κατάσταση ΟΝ.
Η επιστροφή από την κατάσταση ΟΝ στην κατάσταση OFF είναι δυνατή μόνο όταν τα ρεύματα, τα οποία τα διαρρέουν τα τρανζίστορ, είναι μικρά και οι χαρακτηριστικές των τρανζίστορ έχουν λάβει τις θέσεις, τις οποίες έχουν σε χαμηλές τάσεις. Αυτό συμβαίνει όταν η τάση στα άκρα της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν και το ρεύμα της έχουν γίνει μικρότερα της τάσης συγκράτησης και του ρεύματος συγκράτησης, αντίστοιχα.