PN结二极管经常用来制作电开关。在正偏状态,即开态,很小的外加电压就能产生较大的电流;在反偏状态,即关态,只有很小的电流存在于PN结内。

 

我们感兴趣的开关电路参数就是电路的开关速度。下面的内容会定性地讨论二极管的开关瞬态以及电荷的存储效应。在不经任何数学推导的情况下,简单给出描述开关时间的表达式。


二极管的作用
利用二极管正、反向电流相差悬殊这一特性,可以把二极管作开关使用。

 


    

当开关K打向A时,二极管处于正向,电流很大,相当于接有负载的外回路与电源相连的开关闭合,回路处于接通状态(开态);

当开关K打向B时,二极管处于反向,反向电流很小,相当于外回路的开关断开,回路处于断开状态(关态)。

 

 

 V1为外加电源电压,VJ为二极管的正向压降,对硅管VJ约为0.7V,锗管VJ约为0.25V,RL为负载电阻。


    
在开态时,流过负载的稳态电流为I1:

 


   
通常VJ远小于V1,所以上式可近似写为:

 


    
在关态时,流过负载的电流就是二极管的反向电流IR。

 

 

假设外加脉冲的波形如图(a)所示,则流过二极管的电流就如图(b)所示。

 


    
接通过程中,二极管P区向N区输运大量空穴,N区向P区输运大量电子。随着时间的延长,N区内空穴和P区内电子不断增加,直到稳态时停止。在稳态时,流入N区的空穴正好与N区内复合掉的空穴数目相等,流入P区的电子也正好与P区内复合掉的电子数目相等,达到动态平衡,流过P-N结的电流为一常数I1。


    
随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增加,P-N结上的电压逐步上升,在稳态即为VJ。此时,二极管就工作在导通状态。
    

当某一时刻在外电路上加的正脉冲跳变为负脉冲时:

正向时积累在各区的大量少子要被反向偏置电压拉回到原来的区域,开始时的瞬间,流过P-N结的反向电流很大,经过一段时间后,原本积累的载流子一部分通过复合,一部分被拉回原来的区域,反向电流才恢复到正常情况下的反向漏电流值IR。


    
正向导通时少数载流子积累的现象称为电荷储存效应。二极管的反向恢复过程就是由于电荷储存所引起的。反向电流保持不变的这段时间就称为储存时间ts。在ts之后,P-N结上的电流到达反向饱和电流IR,P-N结达到平衡。定义流过P-N结的反向电流由I2下降到0.1 I2时所需的时间为下降时间tf。储存时间和下降时间之和为(ts+tf)称为P-N结的关断时间(即为反向恢复时间)。
   

反向恢复时间限制了二极管的开关速度:

如果脉冲持续时间比二极管反向恢复时间长得多,这时负脉冲能使二极管彻底关断,起到良好的开关作用;

如果脉冲持续时间和二极管的反向恢复时间差不多甚至更短的话,这时由于反向恢复过程的影响,负脉冲不能使二极管关断。

   
所以要保持良好的开关作用,脉冲持续时间不能太短,也就意味着脉冲的重复频率不能太高,这就限制了开关的速度。