3.1.2 半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性及原理分析
半導(dǎo)體二極管最顯著的特點(diǎn)是具有單向?qū)щ娞匦?
一、靜態(tài)特性
1．二極管開關(guān)應(yīng)用舉例
圖3.2給出的是最簡(jiǎn)單的硅二極管開關(guān)電路。輸入電壓為ui，其低電平為UiL＝－2V，高電平為UiH＝3V。

（a） （b） （c）
圖 3.2 硅二極管開關(guān)電路及其直流等效電路

（1）ui＝UiL＝－2V時(shí)
半導(dǎo)體二極管反偏，D處在反向截止區(qū)，如同一個(gè)斷開了的開關(guān)，直流等效電路如圖3.2（b）所示，顯然，輸出電壓為0V，即uO＝0。
（2）ui＝UiH＝3V時(shí)
半導(dǎo)體二極管正向偏置，D工作在正向?qū)�通區(qū)，其導(dǎo)通壓降UD≈0.7V，
如同一個(gè)具有0.7V壓降、閉合了的開關(guān)，直流等效電路如圖3.2（c）所
示，顯然輸出電壓等于UiH減去UD，即
uO＝UiH－UD＝（3－ 0.7）V＝2.3V
2．靜態(tài)開關(guān)特性
通過對(duì)最簡(jiǎn)單的二極管開關(guān)電路的分析可知，硅半導(dǎo)體二極管具有下列靜態(tài)開關(guān)特性：
（1）導(dǎo)通條件及導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn)
當(dāng)外加正向電壓UD ＞0.7V時(shí)，二極管導(dǎo)通，而且一旦導(dǎo)通之后，就可以近似地認(rèn)為UD ≈0.7V不變，如同一個(gè)具有0.7V壓降閉合了的開關(guān)。在有些情況下，例如在圖3.2所示電路中，當(dāng)ui＝UiH很大時(shí)，便可近似地認(rèn)為uO≈UiH，即忽略二極管導(dǎo)通壓降。
（2）截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn)
當(dāng)外加電壓UD＜0.5V時(shí)，二極管截止，而且一旦截止之后，就近似地認(rèn)為ID≈0，如同一個(gè)斷開了的開關(guān)。

二、動(dòng)態(tài)特性
1．二極管的電容效應(yīng)
（1）結(jié)電容Cj
（2）擴(kuò)散電容CD
2．二極管的開關(guān)時(shí)間
（1）簡(jiǎn)單二極管開關(guān)電路及ui和iD的波形
如圖所示是一個(gè)最簡(jiǎn)單的二極管開關(guān)電路及相應(yīng)的ui和iD的波形。

（2）開通時(shí)間ton
當(dāng)輸入電壓ui由UiL跳變到UiH時(shí)，二極管D要經(jīng)過導(dǎo)通延遲時(shí)間td＝t2－t1、上升時(shí)間tr＝t3－t2之后，才能由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。其原因在于，當(dāng)ui正跳變時(shí)，只有當(dāng)PN結(jié)中電荷量減少，PN結(jié)由反偏轉(zhuǎn)換到正偏，也即Cj放電后，二極管D才會(huì)導(dǎo)通，此后流過二極管中的電流iD也只能隨著擴(kuò)散存儲(chǔ)電荷的增加而增加，也即隨著CD的充電而增加，并逐步達(dá)到穩(wěn)態(tài)值ID＝（UiH－UD）／R。所以半導(dǎo)體二極管的開通時(shí)間為
ton＝td＋tr
（3）關(guān)斷時(shí)間toff
當(dāng)輸入電壓ui由UiH跳變到UiL時(shí)，二極管D經(jīng)過存儲(chǔ)時(shí)間ts＝t5－t4、下降時(shí)間（也叫做渡越時(shí)間）tf＝t6－t5之后，才會(huì)由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。ts是存儲(chǔ)電荷消散時(shí)間，tf是PN結(jié)由正偏到反偏，PN結(jié)中電荷量逐漸增加到截止?fàn)顟B(tài)下穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間，也即CD放電、Cj充電的時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間toff也叫做反向恢復(fù)時(shí)間，常用tre表示。其關(guān)斷時(shí)間為
toff＝tre＝ts＋tf
由于半導(dǎo)體二極管的開通時(shí)間ton比關(guān)斷時(shí)間toff短得多，所以一般情況下可以忽略不計(jì)，而只考慮關(guān)斷時(shí)間，也即反向恢復(fù)時(shí)間tre。一般開關(guān)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間也只有幾個(gè)納秒。例如，用于高速開關(guān)電路的平面型硅開關(guān)管2CK系列，tre≤5ns。