转折二极管又称为反向阻断二端晶闸管或者Shockley二极管,它是一种能够正向开关工作的单向开关二极管管。
转折二极管的基本结构和伏安特性转折二极管是由四层(p,n,p,n)、三个p-n结(j1,j2,j3)串联构成的,如图所示。故转折二极管往往就称为pnpn二极管。该二极管的两个端头区域的掺杂浓度都较高(~1019/cm3),左端的p区称为阳极区(A),右端的n区称为阴区(K);中间的n区和p区称为基区,它们的宽度较大,其中n基区的掺杂浓度较低(~5×1014/cm3),p基区的掺杂浓度为1016~1017/cm3。
转折二极管的伏安特性如图所示。在正向工作(A极接正,K极接负)时具有双稳定状态,即有高阻、小电流的关断状态(即正向阻断状态)和低阻、大电流的导通状态(即正向导通状态),从而具有开关性能。并且二极管的正向导通电压很低(近似等于一个p-n结的导通电压);由正向阻的断状态转换为导通状态的转变电压VBF称为正向转折电压。在反向工作(A极接负,K极接正)时,通过的电流很小,只有一种工作状态——反向阻断状态;但是,当反向电压达到击穿电压VBR时、电流即迅速增大——击穿。
当转折二极管加上正向电压时,其中的J1和J3都正偏,只有J2反偏;在正向阻断状态时,所加的端电压几乎都降落在J2上。这种正向阻断状态工作的二极管,可用两个处于放大状态的晶体管(pnp-BJT1和npn-BJT2)的组合来等效,其中J1是BJT1的发射结,J3是BJT2的发射结,而J2是这两个晶体管共用的集电结。当两个等效晶体管的电流放大系数很小时,即(a1+a2) <<1,则二极管的工作电流很小,为I≈ICBo=ICBo1+ICBo2,这就是正向阻断状态。但是,若两个晶体管的电流放大系数增大到(a1+a2)≈1时,转折二极管的电流即趋于无穷大,即二极管导通,这就是正向导通状态。
由于转折二极管二极管的基区宽度一般设计得比较大,则在较小的正向电流时,其中两个BJT的放大系数都必将很小(a1<<1,a2<<1),于是通过二极管的总电流就只有很小的漏电流(I≈ICBo1+ICBo2),这正是二极管的正向阻断状态。
随着正向电压的增大,J2结上的反向偏压也增大,就使得J2结的耗尽层扩展,并导致晶体管的基区宽度减小、电流放大系数变大,当达到a1+a2≈1时,则二极管电流I迅速增大,与此同时电压也很快降低(即产生负组特性),二极管就进入正向导通状态。之所以在导通时电压会很快降低,这显然是由于J2结由反偏即时变成了正偏的结果;从物理机理来看,在导通时从正偏的J1结和J3结注入到n区和p区的载流子总数为(a1+a2)I/q,但其中只有I/q部分能通过J2结,于是将有许多载流子堆积在J2结的两侧,这就使得J2结转变为正偏,从而导致整个器件电压突然下降。器件导通以后,J1、J2和J3结都处于正偏,这时等效的两个晶体管(BJT1和BJT2)即都处于饱和状态,因此器件的导通电压很低(等于一个p-n结的正向电压加上一个BJT的饱和压降≈0.7V+0.2V=0.9V)。为了保持导通状态所必须的最低电压和最低电流,分别称为保持电压(VH)和保持电流(IH)。在器件应用中,总是希望正向转折电压VBF越大越好,保持电压越低越好。在p-n-p-n二极管进入正向饱和状态以后,如果要它再返回到正向阻断状态的话,那么就必须降低端头电压或者改变端头电压的极性。
当转折二极管二极管加上反向电压时,J2结正偏,J1结和J3结都反偏(这时外加电压将主要降落在具有高阻n区一边的J1结上),通过的电流很小;当电压达到VBR时即击穿。因为外加反向电压主要是降落在J1结上,所以为了增大反向阻断电压,就应当增加n基区的厚度,但是这会降低开关速度。
转折二极管常常用作为SCR的触发开关管(能给SCR的栅极提供尖锐电流脉冲)。