二極管的開關(guān)特性

　　一般而言，開關(guān)器件具有兩種工作狀態(tài)：第一種狀態(tài)被稱為接通
，此時器件的阻抗很小，相當于短路；第二種狀態(tài)是斷開，此時器件的阻抗很大，相當于開路。
　　在數(shù)字系統(tǒng)中，晶體管基本上工作于開關(guān)狀態(tài)。對開關(guān)特性的研究，就是具體分析晶體管在導通和截止之間的轉(zhuǎn)換問題。晶體管的開關(guān)速度可以很快，可達每秒百萬次數(shù)量級，即開關(guān)轉(zhuǎn)換在微秒甚至納秒級的時間內(nèi)完成。
　　二極管的開關(guān)特性表現(xiàn)在正向?qū)ㄅc反向截止這樣兩種不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。二極管從反向截止到正向?qū)ㄅc從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂瓜啾人璧臅r間很短，一般可以忽略不計，因此下面著重討論二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂沟霓D(zhuǎn)換過程。

一、二極管從正向?qū)ǖ浇刂褂幸粋€反向恢復過程

　　在上圖所示的硅二極管電路中加入一個如下圖所示的輸入電壓。在0―t₁時間內(nèi)，輸入為+V_F，二極管導通，電路中有電流流通。

　　設(shè)V_D為二極管正向壓降（硅管為0.7V左右），當V_F遠大于V_D時，V_D可略去不計，則

　　在t₁時，V₁突然從+V_F變?yōu)?V_R。在理想情況下 ，二極管將立刻轉(zhuǎn)為截止，電路中應(yīng)只有很小的反向電流。但實際情況是，二極管并不立刻截止，而是先由正向的I_F變到一個很大的反向電流I_R=V_R／R_L，這個電流維持一段時間t_S后才開始逐漸下降，再經(jīng)過t_t后 ，下降到一個很小的數(shù)值0.1I_R，這時二極管才進人反向截止狀態(tài)，如下圖所示。

　　通常把二極管從正向?qū)ㄞD(zhuǎn)為反向截止所經(jīng)過的轉(zhuǎn)換過程稱為反向恢復過程。其中t_S稱為存儲時間，t_t稱為渡越時間，t_re=t_s+t_t稱為反向恢復時間。
　　由于反向恢復時間的存在，使二極管的開關(guān)速度受到限制。

二、產(chǎn)生反向恢復過程的原因——電荷存儲效應(yīng)

　　產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于二極管外加正向電壓V_F時，載流子不斷擴散而存儲的結(jié)果。當外加正向電壓時Ｐ區(qū)空穴向Ｎ區(qū)擴散，Ｎ區(qū)電子向Ｐ區(qū)擴散，這樣，不僅使勢壘區(qū)（耗盡區(qū)）變窄，而且使載流子有相當數(shù)量的存儲，在Ｐ區(qū)內(nèi)存儲了電子，而在Ｎ區(qū)內(nèi)存儲了空穴
，它們都是非平衡少數(shù)載流于，如下圖所示。

　　空穴由Ｐ區(qū)擴散到Ｎ區(qū)后，并不是立即與Ｎ區(qū)中的電子復合而消失，而是在一定的路程L_P（擴散長度）內(nèi)，一方面繼續(xù)擴散，一方面與電子復合消失，這樣就會在L_P范圍內(nèi)存儲一定數(shù)量的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，靠近結(jié)邊緣的濃度最大，離結(jié)越遠，濃度越小
。正向電流越大，存儲的空穴數(shù)目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴散到Ｐ區(qū)的情況也類似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。

　　我們把正向?qū)〞r，非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲效應(yīng)。
　　當輸入電壓突然由+V_F變?yōu)?V_R時Ｐ區(qū)存儲的電子和Ｎ區(qū)存儲的空穴不會馬上消失，但它們將通過下列兩個途徑逐漸減少：
　?、?在反向電場作用下，Ｐ區(qū)電子被拉回Ｎ區(qū)，Ｎ區(qū)空穴被拉回Ｐ區(qū)，形成反向漂移電流I_R，如下圖所示；
　?、?與多數(shù)載流子復合。

　　在這些存儲電荷消失之前，ＰＮ結(jié)仍處于正向偏置，即勢壘區(qū)仍然很窄，ＰＮ結(jié)的電阻仍很小，與R_L相比可以忽略，所以此時反向電流I_R=（V_R＋V_D）/R_L。V_D表示ＰＮ結(jié)兩端的正向壓降，一般 V_R>>V_D，即 I_R＝V_R／R_L。在這段期間，I_R基本上保持不變，主要由V_R和R_L所決定。
　　經(jīng)過時間t_s后Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)所存儲的電荷已顯著減小，勢壘區(qū)逐漸變寬，反向電流I_R逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值，經(jīng)過時間t_t
，二極管轉(zhuǎn)為截止。
　　由上可知，二極管在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的反向恢復過程，實質(zhì)上由于電荷存儲效應(yīng)引起的，反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間。

三、二極管的開通時間

　　二極管從截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄋ璧臅r間稱為開通時間。
　　這個時間同反向恢復時間相比是很短的。這是由于ＰＮ結(jié)在正向偏壓作用下，勢壘區(qū)迅速變窄，有利于少數(shù)載流子的擴散，正向電阻很小，因而它在導通過程中及導通以后，其正向壓降都很小，比輸入電壓V_F小得多，故電路中的正向電流 I_F=V_R／R_L ，它由外電路的參數(shù)決定，而幾乎與二極管無關(guān)。因此，只要電路在t=0時加入+V_F的電壓
，回路的電流幾乎是立即達到 V_F／R_L。這就是說 ，二極管的開通時間是很短的，它對開關(guān)速度的影響很小，可以忽略不計。