二极管开关瞬态及电荷存储效应

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。我们最感兴趣的开关电路参数就是电路的开关速度。本节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。

二极管的开关作用

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）。

在关态时，流过负载的电流就是二极管的反向电流IR。二极管的反向恢复时间

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。

外电路加以正脉冲时

导通过程中，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）。

注意

反向恢复时间限制了二极管的开关速度。

（1）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；

（2） 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。