探究半导体二极管的开关特性

一个理想的开关在接通和断开时应具有这样的特性：接通时，其接通电阻为0，在开关上不产生压降；断开时，其电阻为无穷大，开关上没有电流流过；且开关在接通与断开的速度非常快时，仍能保持上述特性。由于二极管具有单向导电特性，故可作受外加电压控制的开关来使用。

一、开关作用

图6.2.1所示为硅二极管的伏安特性曲线，可以看出，当二极管两端的正向电压小于其门限电压Uth（硅管约为0.5V）时，二极管工作在死区，处于截止状态。只有当外加电压大于Uth时，二极管才导通。

图6.2.1　硅二极管的伏安特性曲线

在图6.2.2（a）中，当输入电压uI为高电平UIH（大于Uth）时，二极管VD充分导通，呈现很小的电阻，其工作电压约为0.7V，导通电流这时，二极管VD可等效为一个具有0.7V压降的闭合开关，如图6.2.2（b）所示。

当输入电压uI为低电平UIL（小于Uth）时，二极管处于截止状态，其反向电流极小，IR≈0，二极管呈现出极高的电阻（但此时二极管两端的反向电压不能过大，否则可能导致二极管击穿而损坏）。这时，二极管VD可等效为一个断开的开关，如图6.2.2（c）所示。

图6.2.2　二极管开关电路及其等效电路

（a）电路图；（b）输入高电平时的等效电路；（c）输入低电平时的等效电路(www.xing528.com)

由上面的讨论可知，在数字电路中，二极管可作为一个受电压控制的开关来使用。

二、开关时间参数

二极管并非理想开关，在低速开关电路中，二极管由导通变为截止，或由截止变为导通的转换时间通常是可以忽略的；但在高速开关电路中，开关状态变化的速度非常快，可达到每秒数百万次，这时二极管的转换时间就不能不考虑了。在图6.2.3（a）电路中输入图6.2.3（b）所示的快速脉冲电压时，二极管的动态工作过程如图6.2.3（c）所示。

在输入电压uI＝UIH＞Uth时，二极管VD导通，其电流。当uI由UIH负跃变为UIL的瞬间，VD并不立刻截止，而是在反向电压UIL的作用下，产生很大的反向电流IR，经过一段时间trr后二极管才进入截止状态。通常将trr称为反向恢复时间（又称关断时间），它是存储电荷消散所需要的时间，一般开关二极管的trr为几个纳秒。当二极管两端输入电压频率非常高时，若低电平的持续时间小于它的反向恢复时间时，二极管将失去单向导电的开关作用。

二极管VD由截止变为导通所需的时间称为正向导通时间（又称开通时间），这个积累电荷所需要的时间远比trr小得多，对二极管的开关速度影响很小，一般情况下可以忽略不计。

图6.2.3　二极管的动态开关特性

（a）电路图；（b）输入脉冲电压；（c）动态工作过程