二极管的开关特性
2.1 脉冲基础知识和二极管的开关特性
第6章脉冲基础知识和反相器考纲要求✧了解脉冲基本概念、常见波形和矩形脉冲信号的主要参数。
✧理解二极管、三极管的开关特性，了解三极管工作在截止区和饱和区的条件、特点。
✧掌握三极管反相器的工作原理。
2.1 脉冲基础知识和二极管的开关特性1．了解脉冲的基本概念、常见波形和矩形脉冲信号的主要参数。
2．理解二极管的开关特性。
4．掌握二极管工作状态的判断。
一、脉冲的概念及波形1．脉冲的概念脉冲技术是电子技术的重要组成部分，应用广泛。
脉冲：含有瞬间突然变化、作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号，简称为脉冲。
2．常见的几种脉冲波形如图6-1-1所示。
电子技术学习指导与巩固练习2图6-1-1常见脉冲波形3．特点：（1）可以是周期性的、非周期性的或单次的。
（2）有正脉冲、负脉冲之分。
（3）各种脉冲的共同点：突变性、间断性、阶段性。
二、矩形脉冲波的主要参数1．矩形脉冲波的主要参数脉冲技术最常用的波形是矩形波、方波。
理想的矩形波如图6-1-2所示：上升沿、下降沿陡直；顶部平坦。
图6-1-2 理想的矩形波波形 图6-1-3 实际的矩形波波形实际的矩形波波形如图6-1-3所示。
主要参数：(1) 幅度V m ——脉冲电压变化的最大值。
(2) 上升时间t r ——脉冲从幅度的10% 处上升到幅度的90%处所需时间。
(3) 下降时间t f ——脉冲从幅度的90% 处下降到幅度的10%处所需的时间。
(4) 脉冲宽度t p —— 定义为前沿和后沿幅度为50%处的宽度。
(5) 脉冲周期T —— 对周期性脉冲，相邻两脉冲波对应点间相隔的时间。
周期的倒数为脉冲的频率f ，即Tf 1= 2．矩形波的分解矩形波可由基波和多次谐波叠加而成。
基波的频率与矩形波相同，谐波的频率为基波的整数倍。
矩形波的数学表达式为+++=)5sin(5)3sin(3)sin(000t A t A t A v ωωω第六章 脉冲基础知识和反相器 3 三、二极管的开关特性1．二极管的开关作用二极管的开关作用如图6-1-4所示。
2.1 二极管的开关特性
内电场E
PN结又叫做耗尽区（Depletion Region）、阻挡层、势垒区（Barrir Region）.
给二极管加正向电压（图7） P
电子技术基础之数字电路
N
-------+ +++++ +
-------------++++++ +
------ -+ + + + + + + -------------+ + + + + + +
反向截止时 反向饱和电流极小 反向电阻很大（约几百kΩ） 相当于开关断开
电子技术基础之数字电路
二极管的伏安特性曲线
二极管的开关特性
vi
VF
D
O
+ vi
+ VD –
RL
–VR i
–
IF
O
–IR
电子技术基础之数字电路
t1
t
t
二极管的理想开关特性
电子技术基础之数字电路
vi
VF
D
O
+ vi
+ VD –
电子技术基础之数字电路
加反向电压时的反向恢复时间（图10）
P
N
E VD
VR I R RL
反向恢复时间由存储时间和渡越时间组成，存储时间 对应于存储电荷消散的时间，渡越时间对应于阻挡层 变宽的时间。
-------+ + + + + + + -------------+ + + + + + +
二极管、三极管的开关特性
C断，F灭
断“0”
合“1” 亮“1”
灭“0”
A 0 0 0 0 1 1 1 1
B 0 0 1 1 0 0 1 1
C 0 1 0 1 0 1 0 1
F 0 0 0 1 0 1 0 1
逻辑函数式
F =（A+B）C
二极管构成的与门
A 0 0 1 1 二极管构成的或门 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Z 0 1 1 1 B 0 1 0 1 Z 0 0 0 1
VO
c
RB b Vi N N P
0 VCC RC Vi RB
IC ≠β IB 这时候三极管进入饱和状态。 此时输出电压VO接近于 0。
IB
e
相当于C-E间直通。 实际的三极管在饱和状态下CE间是有一定电压的， 一般为 0.2V，这个电压称为三极管的饱和电压。
（1）截止
c b
（2）饱和
c b 0.7V
F
或逻辑运算符，也有 N个输入： 用“∨”、“∪”表 逻辑表达式 示 F= A + B+ ...+
F= A + B
N
非逻辑
当决定某一事件的条件满足时，事件不发 生；反之事件发生，
非逻辑真值表 A F 0 1 1 0
逻辑表达式
“-”非逻辑运算符
F= A
逻辑符号 1 A
F
三、复合逻辑运算 与非逻辑运算 或非逻辑运算 与或非逻辑运算
A
B
=1
F
二极管与门电路 工作原理
A、B中有一个 或一个以上为 低电平0V 则输出F就为低
3V 0V 3V 3V A 0V 0V 3V 3V B 0V 3V 0V 3V
0V 3V
开关二极管的工作原理
开关二极管的工作原理一、概述开关二极管是一种电子器件，也被称为二极管开关或者快速恢复二极管。
它具有快速开关速度和低导通压降的特点，常用于高频电路和功率电子应用中。
本文将详细介绍开关二极管的工作原理及其应用。
二、结构和材料开关二极管由P型半导体和N型半导体组成，两者通过P-N结连接在一起。
P型半导体的掺杂浓度较高，N型半导体的掺杂浓度较低。
常用的材料有硅和碳化硅。
三、工作原理1. 正向偏置当开关二极管的P端连接到正电压，N端连接到负电压时，即施加正向偏置，P端形成正电势，N端形成负电势。
此时，P-N结的正向电场将妨碍电子从N端流向P端，使得开关二极管处于截止状态，没有电流通过。
2. 反向偏置当开关二极管的P端连接到负电压，N端连接到正电压时，即施加反向偏置，P端形成负电势，N端形成正电势。
此时，P-N结的反向电场会吸引自由电子从N端向P端挪移，形成反向漂移电流。
开关二极管处于导通状态，但反向漂移电流很小。
3. 关断状态当施加的反向偏置电压超过开关二极管的额定反向击穿电压时，P-N结会发生击穿，电流迅速增大，开关二极管处于关断状态。
此时，开关二极管相当于一个开路，不允许电流通过。
4. 开通状态当施加的正向偏置电压超过开关二极管的正向击穿电压时，P-N结会发生击穿，电流迅速增大，开关二极管处于开通状态。
此时，开关二极管相当于一个导线，允许电流通过。
四、特性参数1. 正向导通压降（VF）：开关二极管在导通状态下的电压降。
普通情况下，VF较低，通常在0.7V摆布。
2. 反向击穿电压（VR）：开关二极管在关断状态下能够承受的最大反向电压。
超过该电压，会导致击穿。
3. 反向漏电流（IR）：开关二极管在关断状态下的反向漏电流。
普通情况下，IR较小。
4. 正向开通时间（ton）：开关二极管从关断状态到开通状态所需的时间。
5. 正向关断时间（toff）：开关二极管从开通状态到关断状态所需的时间。
五、应用领域由于开关二极管具有快速开关速度和低导通压降的特性，广泛应用于以下领域：1. 高频电路：开关二极管能够快速切换，适合于高频电路中的整流、调制、解调和开关等应用。
(一)半导体的开关特性_电子技术_[共3页]
![(一)半导体的开关特性_电子技术_[共3页]](https://img.taocdn.com/s3/m/b3da9dd2cc175527072208f9.png)
电子技术 146 路的进一步理解。
了解各种集成逻辑门电路的结构，掌握集成逻辑门电路的引脚识别、逻辑功能及其测试方法是学好逻辑门电路的关键。
二、相关知识（一）半导体的开关特性一个理想的开关接通时，其电阻为零，在开关上不产生压降；开关断开时，其电阻为无穷大，开关中没有电流流过，而且开关接通与断开的速度非常快时，仍能保持上述特性。
数字逻辑器件中的半导体器件一般都工作在开关状态。
1．半导体二极管的开关特性二极管加正向电压时导通，加反向电压时截止。
利用其单向导电特性，在数字电路中常将二极管作为受外加电压控制的开关使用。
（1）二极管的静态特性。
二极管开关电路原理图如图7-14所示。
二极管承受正向电压（正向偏置）时导通，其中硅二极管大于死区电压约0.5V ，锗二极管大于死区电压约0.3V 。
当二极管完全导通时，等效为一个具有0.7V 电压降的闭合开关；当二极管承受反向电压（反向偏置）时截止，等效为一个断开的开关。
理想二极管导通时等效为闭合的开关（电阻为零），如图7-15（a ）所示；二极管截止时等效为断开的开关，如图7-15（b ）所示。
图7-14 二极管开关电路原理图 图7-15 理想二极管开关等效电路 二极管的导通条件为D 0.5V u ＞；导通特点为D 0.7V u ≈。
理想二极管的导通条件为D 0u ＞；导通特点为D 0u =。
二极管的截止条件为D 0.5V u ＜；截止特点：D 0i ≈。
理想二极管的截止条件为D 0u ≤；截止特点为D 0i =。
可见，二极管的导通和截止取决于加到二极管上的电压。
实用中当输入电压u i 较高时，图7-14所示开关电路中二极管可近似为理想二极管。
当输入为高电平时二极管导通，u D 两端输出低电平；当输入低电平时，二极管截止，u D 两端输出高电平。
（2）二极管的动态特性。
二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性称为动态特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要时间。
二极管的动态开关特性如图7-16所示。
二极管对交流电压的作用
二极管对交流电压的作用
二极管的作用
1、整流：利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流。
2、开关：二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。
利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。
3、限幅：二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。
利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。
4、续流：在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起续流作用。
5、检波：在收音机中起检波作用。
6、变容：使用于电视机的高频头中。
7、显示：用于VCD、DVD、计算器等显示器上。
8、稳压：稳压二极管实质上是一个面结型硅二极管，稳压二极管工作在反向击穿状态。
9、触发：触发二极管又称双向触发二极管（DIAC）属三层结构，具有对称性的二端半导体器件。
常用来触发双向可控硅，在电路中作过压保护等用途。
二极管的电容效应、等效电路及开关特性
二极管的电容效应、等效电路及开关特性二极管的电容效应二极管具有电容效应。
它的电容包括势垒电容CB和扩散电容CD。
1.势垒电容CB(Cr)前面已经讲过，PN结内缺少导电的载流子，其电导率很低，相当于介质;而PN结两侧的P区、N区的电导率高，相当于金属导体。
从这一结构来看，PN结等效于一个电容器。
事实上，当PN结两端加正向电压时，PN结变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容"放电"，当PN结两端加反向电压时，PN结变宽，结中空间电荷量增多，相当于电容"充电"。
这种现象可以用一个电容来模拟，称为势垒电容。
势垒电容与普通电容不同之处，在于它的电容量并非常数，而是与外加电压有关。
当外加反向电压增大时，势垒电容减小;反向电压减小时，势垒电容增大。
目前广泛应用的变容二极管，就是利用PN 结电容随外加电压变化的特性制成的。
2.扩散电容CDPN结正向偏置时，N区的电子向P区扩散，在P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布，即靠近PN结一侧浓度高，远离PN结的一侧浓度低。
显然，在P区积累了电子，即存贮了一定数量的负电荷;同样，在N区也积累了空穴，即存贮了一定数的正电荷。
当正向电压加大时，扩散增强，这时由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数将增多，致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电。
相反，当正向电压减小时，扩散减弱，即由N 区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数减少，造成两个区域内电荷的减少，、这相当于电容器放电。
因此，可以用一个电容来模拟，称为扩散电容。
总之，二极管呈现出两种电容，它的总电容Cj相当于两者的并联，即Cj=CB + CD。
二极管正向偏置时，扩散电容远大于势垒电容Cj≈CD ;而反向偏置时，扩散电容可以忽略，势垒电容起主要作用，Cj≈CB 。
二极管的等效电路二极管是一个非线性器件，对于非线性电路的分析与计算是比较复杂的。
为了使电路的分析简化，可以用线性元件组成的电路来模拟二极管。
二极管开关电路特性及原理详解
二极管开关电路特性及原理详解二极管开关特性在数字电子技术门电路中，在脉冲信号的作用下，二极管时而导通，时而截止，相当于开关的“接通”和“关断”。
二极管由截止到开通所用的时间称为开通时间，由开通到截止所用的时间称为关断时间。
研究其开关特性，就是分析导通和截止转换快慢的问题，当脉冲信号频率很高时，开关状态变化的速率就高。
作为一种开关器件，其开关的速度越快越好，但是二极管是由硅或锗等半导体材料通过特殊工艺制成的电子器件，有一个最高极限工作速度，当开关速度大于极限工作速度，二极管就不能正常工作。
要使二极管安全可靠快速地工作，外界的脉冲信号高低电平的转换频率要小于二极管开关的频率。
如图1所示，输入端施加一脉冲信号Vi，其幅值为+V1和-V2。
当加在二极管两端的电压为+V1，二极管导通；当加在二极管两端的电压为-V2，二极管截止，输入、输出波形如图2所示。
二极管两端的电压由正向偏置+V1变为反向偏置-V2时，二极管并不瞬时截止，而是维持一段时间ts后，电流才开始减小，再经tf后，反向电流才等于静态特性上的反向漂移电流I0，其值很小。
ts称为存贮时间，tf称为下降时间，ts+tf=trr称为关断时间。
二极管两端的电压由反向偏置-V2变为正向偏置+V1时，二极管也不是瞬时导通，而是经过导通延迟时间和上升时间后才稳定导通，这段时间称为开通时间。
显然二极管的导通和截止时刻总是滞后加于其两端高、低电平的时刻。
二极管从截止转为正向导通的开通时间，与从导通转向截止时的关断时间相比很小，其对开关速度的影响很小，在分析讨论中主要考虑关断时间的影响。
二极管开关时间延迟原因分析在半导体中存在两种电流，因载流子浓度不同形成的电流为扩散电流，依靠电场作用形成的电流为漂移电流。
当把P型半导体和N型半导体靠近，在两种半导体的接触处，因为载流子浓度差就会产生按指数规律衰减的扩散运动。
在扩散过程中，电子和空穴相遇就会复合，在交界处产生内电场，内电场会阻止扩散运动的进行，而促进漂移运动，最终，扩散运动和漂移运动达到动态平衡。
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第一节二极管的开关特性
一般而言，开关器件具有两种工作状态：第一种状态被称为接通，此时器件的阻抗很小，相当于短路；第二种状态是断开，此时器件的阻抗很大，相当于开路。
在数字系统中，晶体管基本上工作于开关状态。
对开关特性的研究，就是具体分析晶体管在导通和截止之间的转换问题。
晶体管的开关速度可以很快，可达每秒百万次数量级，即开关转换在微秒甚至纳秒级的时间内完成。
二极管的开关特性表现在正向导通与反向截止这样两种不同状态之间的转换过程。
二极管从反向截止到正向导通与从正向导通到反向截止相比所需的时间很短，一般可以忽略不计，因此下面着重讨论二极管从正向导通到反向截止的转换过程。
一、二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程
在上图所示的硅二极管电路中加入一个如下图所示的输入电压。
在0―t1时间内，输入为+V F，二极管导通，电路中有电流流通。
设V D为二极管正向压降（硅管为0.7V左右），当V F远大于V D时，V D可略去不计，则
在t1时，V1突然从+V F变为-V R。
在理想情况下，二极管将立刻转为截止，电路中应只有很小的反向电流。
但实际情况是，二极管并不立刻截止，而是先由正向的I F变到一个很大的反向电流I R=V R／R L，这个电流维持一段时间t S后才开始逐渐下降，再经过t t后，下降到一个很小的数值0.1I R，这时二极管才进人反向截止状态，如下图所示。
通常把二极管从正向导通转为反向截止所经过的转换过程称为反向恢复过程。
其中t S 称为存储时间，t t称为渡越时间，t re=t s+t t称为反向恢复时间。
由于反向恢复时间的存在，使二极管的开关速度受到限制。
二、产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应
产生上述现象的原因是由于二极管外加正向电压V F时，载流子不断扩散而存储的结果。
当外加正向电压时Ｐ区空穴向Ｎ区扩散，Ｎ区电子向Ｐ区扩散，这样，不仅使势垒区（耗尽区）变窄，而且使载流子有相当数量的存储，在Ｐ区内存储了电子，而在Ｎ区内存储了空穴，它们都是非平衡少数载流于，如下图所示。
空穴由Ｐ区扩散到Ｎ区后，并不是立即与Ｎ区中的电子复合而消失，而是在一定的路程L P（扩散长度）内，一方面继续扩散，一方面与电子复合消失，这样就会在L P范围内存储一定数量的空穴，并建立起一定空穴浓度分布，靠近结边缘的浓度最大，离结越远，浓度越小。
正向电流越大，存储的空穴数目越多，浓度分布的梯度也越大。
电子扩散到Ｐ区的情况也类似，下图为二极管中存储电荷的分布。
我们把正向导通时，非平衡少数载流子积累的现象叫做电荷存储效应。
当输入电压突然由+V F变为-V R时Ｐ区存储的电子和Ｎ区存储的空穴不会马上消失，但它
们将通过下列两个途径逐渐减少：
① 在反向电场作用下，Ｐ区电子被拉回Ｎ区，Ｎ区空穴被拉回Ｐ区，形成反向漂移电流I R，如下图所示；② 与多数载流子复合。
在这些存储电荷消失之前，ＰＮ结仍处于正向偏置，即势垒区仍然很窄，ＰＮ结的电阻仍很小，与R L相比可以忽略，所以此时反向电流I R=（V R＋V D）/R L。
V D表示ＰＮ结两端的正向压降，一般 V R>>V D，即 I R＝V R／R L。
在这段期间，I R基本上保持不变，主要由V R和R L所决定。
经过时间t s后Ｐ区和Ｎ区所存储的电荷已显著减小，势垒区逐渐变宽，反向电流I R逐渐减小到正常反向饱和电流的数值，经过时间t t，二极管转为截止。
由上可知，二极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程，实质上由于电荷存储效应引起的，反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。
三、二极管的开通时间
二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。
这个时间同反向恢复时间相比是很短的。
这是由于ＰＮ结在正向偏压作用下，势垒区迅速变窄，有利于少数载流子的扩散，正向电阻很小，因而它在导通过程中及导通以后，其正向压降都很小，比输入电压V F小得多，故电路中的正向电流 I F=V R／R L ，它由外电路的参数决定，而几乎与二极管无关。
因此，只要电路在t=0时加入+V F的电压
，回路的电流几乎是立即达到 V F／R L。
这就是说，二极管的开通时间是很短的，它对开关速度的影响很小，可以忽略不计。
第二节BJT的开关特性
ＮＰＮ型BJT的结构如下图所示。
从图中可见ＮＰＮ型BJT由两个Ｎ型区和一个Ｐ型区构成了两个ＰＮ结，并从三个区分别引出了集电极、基极和发射极。
在电路图中的符号如下图所示。
ＰＮＰ型BJT的结构如下图中的上半部所示，下边为电路图中的符号。
这里的BJT英文原文是：Bipolar Junction Transistor，意为“双极结晶体管”。
也就是通常所说的三极管。
一、BJT的开关作用
BJT的开关作用对应于有触点开关的“断开”和“闭合”。
上图所示电路用来说明BJT开关作用，图中BJT为ＮＰＮ型硅管。
当输入电压V1=-V B时，BJT的发射结和集电结均为反向偏置（V BE＜0，V BC＜0），只有很小的反向漏电流I EBO和I CBO分别流过两个结，故i B≈ 0，i C≈ 0，V CE≈ V CC，对应于上图中的Ａ点。
这时集电极回路中的c、e极之间近似于开路，相当于开关断开一样。
BJT的这种工作状态称为截止。
当V1=+V B2时，调节R B，使I B=V CC / R C，则BJT工作在上图中的C点
，集电极电流i C已接近于最大值V CC/ R C，由于i C受到R C的限制，它已不可能像放大区那样随着i B的增加而成比例地增加了，此时集电极电流达到饱和，对应的基极电流称为基极临
界饱和电流I BS（）
，而集电极电流称为集电极饱和电流I CS（V CC / R C）。
此后，如果再增加基极电流，则饱和程度加深，但集电极电流基本上保持在I CS不再增加，集电极电压V CE=V CC-I CS R C=V CES=2.0-0.3V。
这个电压称为BJT的饱和压降，它也基本上不随i B增加而改变。
由于V CES很小，集电极回路中的c、e极之间近似于短路，相当于开关闭合一样。
BJT的这种工作状态称为饱和。
由于BJT饱和后管压降均为0.3V，而发射结偏压为0.7V，因此饱和后集电结为正向偏置，即BJT饱和时集电结和发射结均处于正向偏置，这是判断BJT工作在饱和状态的重要依据。
下图示出了ＮＰＮ型BJT饱和时各电极电压的典型数据。
由此可见BJT相当于一个由基极电流所控制的无触点开关。
BJT截止时相当于开关“断开”，而饱和时相当于开关“闭合”。
ＮＰＮ型BJT截止、放大、饱和三种工作状态的特点列于下表中。
二、BJT的开关时间
BJT的开关过程和二极管一样，也是内部电荷“建立”和“消散”的过程。
因此BJT饱和与截止两种状态的相互转换也是需要一定的时间才能完成的。
如上图所示电路的输入端加入一个幅度在-V B1和+V B2之间变化的理想方波，则输出电流I c的波形如下图。
可见I c的波形已不是和输入波形一样的理想方波，上升和下降沿都变得缓慢了。
为了对BJT开关的瞬态过程进行定量描述,通常引人以下几个参数来表征：
以上4个参数称为BJT的开关时间参数。
通常把t on＝t d＋t r称为开通时间,它反映了BJT从截止到饱和所需的时间；
把 t0ff= t s＋t f称为关闭时间,它反映了BJT从饱和到截止所需的时间。
开通时间和关闭时间总称为BJT的开关时间,它随管子类型不同而有很大差别，一般在几十至几百纳秒的范围，可以从器件手册中查到。
BJT的开关时间限制了BJT开关运用的速度。
开关时间越短，开关速度越高。
因此，要设法减小开关时间。
开通时间t on是建立基区电荷的时间，关闭时间t off是存储电荷消散的时间。