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會員注冊3.1.2 半導體二極管的開關特性及原理分析
半導體二極管最顯著的特點是具有單向導電特性
一、靜態特性
1．二極管開關應用舉例
圖3.2給出的是最簡單的硅二極管開關電路。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 硅二極管開關電路及其直流等效電路
（1）ui＝UiL＝－2V時
半導體二極管反偏，D處在反向截止區，如同一個斷開了的開關，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
半導體二極管正向偏置，D工作在正向導通區，其導通壓降UD≈0.7V，
如同一個具有0.7V壓降、閉合了的開關，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．靜態開關特性
通過對最簡單的二極管開關電路的分析可知，硅半導體二極管具有下列靜態開關特性：
（1）導通條件及導通時的特點
當外加正向電壓UD ＞0.7V時，二極管導通，而且一旦導通之后，就可以近似地認為UD ≈0.7V不變，如同一個具有0.7V壓降閉合了的開關。在有些情況下，例如在圖3.2所示電路中，當ui＝UiH很大時，便可近似地認為uO≈UiH，即忽略二極管導通壓降。
（2）截止條件及截止時的特點
當外加電壓UD＜0.5V時，二極管截止，而且一旦截止之后，就近似地認為ID≈0，如同一個斷開了的開關。
二、動態特性
1．二極管的電容效應
（1）結電容Cj
（2）擴散電容CD
2．二極管的開關時間
（1）簡單二極管開關電路及ui和iD的波形
如圖所示是一個最簡單的二極管開關電路及相應的ui和iD的波形。
（2）開通時間ton
當輸入電壓ui由UiL跳變到UiH時，二極管D要經過導通延遲時間td＝t2－t1、上升時間tr＝t3－t2之后，才能由截止狀態轉換到導通狀態。其原因在于，當ui正跳變時，只有當PN結中電荷量減少，PN結由反偏轉換到正偏，也即Cj放電后，二極管D才會導通，此后流過二極管中的電流iD也只能隨著擴散存儲電荷的增加而增加，也即隨著CD的充電而增加，并逐步達到穩態值ID＝（UiH－UD）／R。所以半導體二極管的開通時間為
ton＝td＋tr
（3）關斷時間toff
當輸入電壓ui由UiH跳變到UiL時，二極管D經過存儲時間ts＝t5－t4、下降時間（也叫做渡越時間）tf＝t6－t5之后，才會由導通狀態轉換到截止狀態。ts是存儲電荷消散時間，tf是PN結由正偏到反偏，PN結中電荷量逐漸增加到截止狀態下穩態值的時間，也即CD放電、Cj充電的時間。關斷時間toff也叫做反向恢復時間，常用tre表示。其關斷時間為
toff＝tre＝ts＋tf
由于半導體二極管的開通時間ton比關斷時間toff短得多，所以一般情況下可以忽略不計，而只考慮關斷時間，也即反向恢復時間tre。一般開關二極管的反向恢復時間也只有幾個納秒。例如，用于高速開關電路的平面型硅開關管2CK系列，tre≤5ns。
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