电子电路 - 二极管作为开关

二极管是一种两端 PN 结，可用于各种应用。此类应用之一是电气开关。PN 结在正向偏置时表现为闭路，在反向偏置时表现为开路。因此，正向和反向偏置状态的变化使二极管起到开关的作用，正向为导通状态，反向为截止状态。

由于以下原因，电气开关比机械开关更受青睐 -

因此，电气开关比机械开关更有用。

二极管作为开关的工作原理

每当超过指定电压时，二极管电阻就会增加，使二极管反向偏置，并充当开路开关。每当施加的电压低于参考电压时，二极管电阻就会减小，使二极管正向偏置，并且它充当闭合开关。

以下电路解释了充当开关的二极管。

开关二极管具有PN结，其中P区为轻掺杂，N区为重掺杂。上述电路表示当正电压正向偏置二极管时二极管导通，当负电压反向偏置二极管时二极管截止。

当正向电流流过时，突然出现反向电压，反向电流会暂时流过，而不是立即关断。漏电流越大，损耗越大。当二极管突然反向偏置时，反向电流的流动有时可能会产生少量振荡，称为振铃。

这种振铃情况是一种损耗，因此应尽量减少。为此，应了解二极管的开关时间。

当改变偏置条件时，二极管会经历瞬态响应。系统对平衡位置突然变化的响应称为瞬态响应。

从正向偏压到反向偏压以及从反向偏压到正向偏压的突然变化会影响电路。对这种突然变化的响应时间是定义电气开关有效性的重要标准。

为了更清楚地理解这一点，让我们尝试分析一下向开关 PN 二极管施加电压后会发生什么。

从结处看去，少数载流子浓度呈指数下降。当施加电压时，由于正向偏置条件，一侧的多数载流子向另一侧移动。他们成为对方的少数载流子。这种浓度在交界处会更多。

例如，如果考虑N型，则在施加正向偏压后进入N型的过量空穴会增加N型材料中已经存在的少数载流子。

让我们考虑一些符号。

在正向偏置条件下- 少数载流子更靠近结并且距离结更远。下图解释了这一点。

P 型中的过量少数载流子电荷 = $P_n-P_{no}$ 和 $p_{no}$（稳态值）

N 型中的过量少数载流子电荷 = $N_p-N_{po}$ 和 $N_{po}$（稳态值）

在反向偏置条件下- 多数载流子不通过结传导电流，因此不参与电流条件。在反向的情况下，开关二极管表现为短路。

少数载流子将穿过结并传导电流，这称为反向饱和电流。下图表示反向偏置时的情况。

上图中，虚线代表平衡值，实线代表实际值。由于少数电荷载流子产生的电流足够大，可以传导，因此电路将导通，直到去除多余的电荷。

二极管从正向偏压变为反向偏压所需的时间称为反向恢复时间($t_{rr}$)。下图详细解释了二极管的开关时间。

从上图中，让我们考虑一下二极管电流图。

在$t_{1}$处，二极管突然从导通状态变为截止状态；它被称为存储时间。存储时间是除去多余的少数载流子电荷所需的时间。在存储期间，从N型材料流向P型材料的负电流相当大。这个负电流是，

$$-I_R= \frac{-V_{R}}{R}$$

下一个时间段是过渡时间”（从$t_2$到$t_3$）

过渡时间是二极管完全达到开路状态所需的时间。$t_3$ 之后二极管将处于稳态反向偏置状态。在$t_1$二极管处于稳态正向偏置条件下之前。

因此，完全达到开路状态所需的时间是

$$反向恢复\:\:时间\left ( t_{rr} \right )= 存储\:\:时间\left ( T_{s} \right )+转换\:\:时间\left ( T_{t} \右)$$

而从关闭状态变为开启状态所需的时间较短，称为正向恢复时间。反向恢复时间大于正向恢复时间。如果反向恢复时间较短，则二极管可以作为更好的开关。

让我们回顾一下所讨论的时间段的定义。

影响二极管开关时间的因素很少，例如

使用二极管开关电路的应用有很多，例如 -