二极管的开关特性及原理分析

半导体二极管最显著的特点是具有单向导电特性
一、静态特性
1．二极管开关应用举例
图3.2给出的是最简单的硅二极管开关电路。输入电压为ui，其低电平为UiL＝－2V，高电平为UiH＝3V。

（a） （b） （c）
图 3.2 硅二极管开关电路及其直流等效电路
（1）ui＝UiL＝－2V时
半导体二极管反偏，D处在反向截止区，如同一个断开了的开关，直流等效电路如图3.2（b）所示，显然，输出电压为0V，即uO＝0。
（2）ui＝UiH＝3V时
半导体二极管正向偏置，D工作在正向导通区，其导通压降UD≈0.7V，
如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关，直流等效电路如图3.2（c）所
示，显然输出电压等于UiH减去UD，即
uO＝UiH－UD＝（3－ 0.7）V＝2.3V
2．静态开关特性
通过对最简单的二极管开关电路的分析可知，硅半导体二极管具有下列静态开关特性：
（1）导通条件及导通时的特点
当外加正向电压UD ＞0.7V时，二极管导通，而且一旦导通之后，就可以近似地认为UD ≈0.7V不变，如同一个具有0.7V压降闭合了的开关。在有些情况下，例如在图3.2所示电路中，当ui＝UiH很大时，便可近似地认为uO≈UiH，即忽略二极管导通压降。
（2）截止条件及截止时的特点
当外加电压UD＜0.5V时，二极管截止，而且一旦截止之后，就近似地认为ID≈0，如同一个断开了的开关。
二、动态特性
1．二极管的电容效应
（1）结电容Cj
（2）扩散电容CD
2．二极管的开关时间
（1）简单二极管开关电路及ui和iD的波形
如图所示是一个最简单的二极管开关电路及相应的ui和iD的波形。


（2）开通时间ton
当输入电压ui由UiL跳变到UiH时，二极管D要经过导通延迟时间td＝t2－t1、上升时间tr＝t3－t2之后，才能由截止状态转换到导通状态。其原因在于，当ui正跳变时，只有当PN结中电荷量减少，PN结由反偏转换到正偏，也即Cj放电后，二极管D才会导通，此后流过二极管中的电流iD也只能随着扩散存储电荷的增加而增加，也即随着CD的充电而增加，并逐步达到稳态值ID＝（UiH－UD）／R。所以半导体二极管的开通时间为
ton＝td＋tr
（3）关断时间toff
当输入电压ui由UiH跳变到UiL时，二极管D经过存储时间ts＝t5－t4、下降时间（也叫做渡越时间）tf＝t6－t5之后，才会由导通状态转换到截止状态。ts是存储电荷消散时间，tf是PN结由正偏到反偏，PN结中电荷量逐渐增加到截止状态下稳态值的时间，也即CD放电、Cj充电的时间。关断时间toff也叫做反向恢复时间，常用tre表示。其关断时间为
toff＝tre＝ts＋tf
由于半导体二极管的开通时间ton比关断时间toff短得多，所以一般情况下可以忽略不计，而只考虑关断时间，也即反向恢复时间tre。一般开关二极管的反向恢复时间也只有几个纳秒。例如，用于高速开关电路的平面型硅开关管2CK系列，tre≤5ns。