PN結(jié)二極管經(jīng)常用來制作電開關。在正偏狀態(tài)，即開態(tài)，很小的外加電壓就能產(chǎn)生較大的電流;在反偏狀態(tài)，即關態(tài)，只有很小的電流存在于PN結(jié)內(nèi)。

我們感興趣的開關電路參數(shù)就是電路的開關速度。下面的內(nèi)容會定性地討論二極管的開關瞬態(tài)以及電荷的存儲效應。在不經(jīng)任何數(shù)學推導的情況下，簡單給出描述開關時間的表達式。

二極管的作用

利用二極管正、反向電流相差懸殊這一特性，可以把二極管作開關使用。

當開關K打向A時，二極管處于正向，電流很大，相當于接有負載的外回路與電源相連的開關閉合，回路處于接通狀態(tài)(開態(tài));

當開關K打向B時，二極管處于反向，反向電流很小，相當于外回路的開關斷開，回路處于斷開狀態(tài)(關態(tài))。

V1為外加電源電壓，VJ為二極管的正向壓降，對硅管VJ約為0.7V，鍺管VJ約為0.25V，RL為負載電阻。

在開態(tài)時，流過負載的穩(wěn)態(tài)電流為I1：

通常VJ遠小于V1，所以上式可近似寫為：

在關態(tài)時，流過負載的電流就是二極管的反向電流IR。

接通過程中，二極管P區(qū)向N區(qū)輸運大量空穴，N區(qū)向P區(qū)輸運大量電子。隨著時間的延長，N區(qū)內(nèi)空穴和P區(qū)內(nèi)電子不斷增加，直到穩(wěn)態(tài)時停止。

在穩(wěn)態(tài)時，流入N區(qū)的空穴正好與N區(qū)內(nèi)復合掉的空穴數(shù)目相等，流入P區(qū)的電子也正好與P區(qū)內(nèi)復合掉的電子數(shù)目相等，達到動態(tài)平衡，流過P-N結(jié)的電流為一常數(shù)I1。

隨著勢壘區(qū)邊界上的空穴和電子密度的增加，P-N結(jié)上的電壓逐步上升，在穩(wěn)態(tài)即為VJ。此時，二極管就工作在導通狀態(tài)。

當某一時刻在外電路上加的正脈沖跳變?yōu)樨撁}沖時：

正向時積累在各區(qū)的大量少子要被反向偏置電壓拉回到原來的區(qū)域，開始時的瞬間，流過P-N結(jié)的反向電流很大，經(jīng)過一段時間后，原本積累的載流子一部分通過復合，一部分被拉回原來的區(qū)域，反向電流才恢復到正常情況下的反向漏電流值IR。

正向?qū)〞r少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象稱為電荷儲存效應。二極管的反向恢復過程就是由于電荷儲存所引起的。

反向電流保持不變的這段時間就稱為儲存時間ts。在ts之后，P-N結(jié)上的電流到達反向飽和電流IR，P-N結(jié)達到平衡。

定義流過P-N結(jié)的反向電流由I2下降到0.1 I2時所需的時間為下降時間tf。儲存時間和下降時間之和為(ts+tf)稱為P-N結(jié)的關斷時間(即為反向恢復時間)。

反向恢復時間限制了二極管的開關速度：

如果脈沖持續(xù)時間比二極管反向恢復時間長得多，這時負脈沖能使二極管徹底關斷，起到良好的開關作用;

如果脈沖持續(xù)時間和二極管的反向恢復時間差不多甚至更短的話，這時由于反向恢復過程的影響，負脈沖不能使二極管關斷。

所以要保持良好的開關作用，脈沖持續(xù)時間不能太短，也就意味著脈沖的重復頻率不能太高，這就限制了開關的速度。

一、反向恢復過程

在圖1所示的二極管電路中，加入一個如圖2所示的輸入電壓。即在 0~ 時間內(nèi)，輸入為 ，二極管導通，電路中有電流流過。

假設二極管的正向壓降為 ，當 遠大于 時， 可忽略不計;如果在 時刻，輸入 突然從 變?yōu)? ，在理想情況下，二極管將即刻變?yōu)榻刂範顟B(tài)，電路中只有很小的反向漏電流。

但在實際情況中，二極管并不會立即變?yōu)榻刂範顟B(tài)，而是先有正向的 變?yōu)橐粋€很大的反向電流 ，這個反向電流會維持一段時間 后才開始逐漸下降，再經(jīng)過 時間后，下降到一個很小的數(shù)值 ，這時二極管才會進入反向截止狀態(tài)。該過程如圖3所示。

一般將二極管從正向?qū)ㄗ優(yōu)榉聪蚪刂沟倪^程成為反向恢復過程，其中 稱為存儲時間， 稱為渡越時間， 稱為反向恢復時間。

二極管的開關速度受到反向恢復時間的限制。

二、原因

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于電荷存儲效應。

由于二極管外加正向電壓 時，P 區(qū)的空穴向 N 區(qū)擴散，N 區(qū)的電子向 P 區(qū)擴散，不僅使得耗盡層變窄，而且使得載流子有相當數(shù)量的存儲，在 P 區(qū)內(nèi)存儲了電子，在N 區(qū)內(nèi)存儲了空穴，它們都是非平衡少子。

空穴由 P 區(qū)擴散到 N 區(qū)后，并不是立即與 N 區(qū)中的電子復合后消失，而是在一定的路程(擴散長度)內(nèi)，一方面繼續(xù)擴散，一方面與電子復合消失，這樣就會在范圍內(nèi)存儲一定數(shù)量的空穴，并建立起一定的空穴濃度分布，靠近 PN 結(jié)邊緣的濃度高，離 PN 結(jié)越遠，濃度越小。

正向電流越大，存儲的空穴數(shù)目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴散到 P 區(qū)的情況類似。

把正向?qū)〞r，非平衡少子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲效應。

當輸入電壓突然由 變?yōu)?時， P 區(qū)存儲的電子和 N 區(qū)存儲的空穴不會馬上消失，它們會通過以下兩個途徑逐漸減少：

在反向電場的作用下， P 區(qū)電子被拉回 N 區(qū)， N 區(qū)空穴被拉回 P 區(qū)，形成反向漂移電流 ;

與多數(shù)載流子復合消失。

在這些存儲電荷消失之前，PN結(jié)仍處于正向偏置，即耗盡層仍然很窄，PN結(jié)的電阻仍然很小，與 相比可以忽略，所以此時反向電流IR=VR+VDRL

表示PN結(jié)兩端的正向壓降，一般有，即。在這段時間，基本上保持不變，主要由 和 決定。經(jīng)過 時間后，P 區(qū)和 N 區(qū)所存儲的電荷已顯著減小，耗盡層逐漸變寬，反向電流 逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值，經(jīng)過 時間后，二極管轉(zhuǎn)為截止狀態(tài)。

由上可知，二極管的反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間。如果反向脈沖的持續(xù)時間比反向恢復時間 短，則二極管在正、反方向都可以導通，起不到開關的作用。