电子电路 - 二极管作为开关
二极管是一种双端 PN 结，可用于各种应用。其中一种应用是电子开关。PN 结在正向偏置时充当闭路，在反向偏置时充当开路。因此，正向和反向偏置状态的变化使二极管作为开关工作，正向为开启，反向为关闭状态。
电气开关优于机械开关
由于以下原因，电气开关是优于机械开关的首选 −
- 机械开关容易发生金属氧化，而电气开关则不会。
- 机械开关具有可移动触点。
- 它们比电气开关更容易受到压力和拉伤。
- 机械开关的磨损和撕裂经常影响其工作。
因此，电气开关比机械开关更有用开关。
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，并充当断开开关。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，并充当闭合开关。
以下电路解释了二极管作为开关的作用。
开关二极管具有 PN 结，其中 P 区掺杂较少，N 区掺杂较多。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，二极管关断。
振铃
由于正向电流流动，因此，如果突然出现反向电压，反向电流会暂时流动，而不是立即关断。漏电流越大，损耗越大。二极管突然反向偏置时，反向电流的流动有时会产生一些振荡，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。
二极管开关时间
在改变偏置条件时，二极管会经历瞬态响应。系统对任何从平衡位置突然变化的响应称为瞬态响应。
从正向到反向以及从反向到正向偏置的突然变化会影响电路。响应此类突然变化所需的时间是定义电气开关有效性的重要标准。
二极管恢复其稳定状态所需的时间称为恢复时间。
二极管从反向偏置状态切换到正向偏置状态所需的时间间隔称为正向恢复时间。($t_{fr}$)
二极管从正向偏置状态切换到反向偏置状态所需的时间间隔称为反向恢复时间。 ($t_{fr}$)
为了更清楚地理解这一点，让我们尝试分析将电压施加到开关 PN 二极管后会发生什么。
载流子浓度
从结点看，少数电荷载流子浓度呈指数下降。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。它们成为另一侧的少数载流子。这种浓度在结点处会更多。
例如，如果考虑 N 型，施加正向偏置后进入 N 型的空穴过量会增加 N 型材料中已经存在的少数载流子。
让我们考虑几个符号。
- P 型中的多数载流子（空穴）= $P_{po}$
- N 型中的多数载流子（电子）= $N_{no}$
- P 型中的少数载流子（电子）= $N_{po}$
- N 型中的多数载流子（空穴）= $P_{no}$
正向偏置条件下 − 少数载流子更靠近结点，距离结点较近。下图解释了这一点。
P 型中过量的少数载流子电荷 = $P_n-P_{no}$ 和 $p_{no}$（稳态值）
N 型中过量的少数载流子电荷 = $N_p-N_{po}$ 和 $N_{po}$（稳态值）
在反向偏置条件下 − 多数载流子不会通过结传导电流，因此不会参与电流条件。开关二极管在反向方向上表现为短路。
少数载流子将穿过结并传导电流，这称为反向饱和电流。下图表示反向偏置期间的情况。
在上图中，虚线表示平衡值，实线表示实际值。由于少数电荷载流子产生的电流足够大，可以导电，因此电路将处于导通状态，直到去除多余的电荷。
二极管从正向偏置变为反向偏置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，让我们考虑二极管电流图。
在$t_{1}$时，二极管突然从导通状态变为关断状态；它被称为存储时间。存储时间是去除过量少数载流子电荷所需的时间。在存储时间内，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进入开路状态所需的时间。在 $t_3$ 之后，二极管将处于稳定状态反向偏置状态。在 $t_1$ 之前，二极管处于稳定状态正向偏置条件。
因此，完全进入开路状态所需的时间为
$$反向 \:\:恢复\:\: 时间\left ( t_{rr} ight )= 存储 \:\:时间 \left ( T_{s} ight )+ 转换 \:\: 时间 \left ( T_{t} ight )$$
而从 OFF 进入 ON 状态，需要的时间较短，称为正向恢复时间。反向恢复时间大于正向恢复时间。如果此反向恢复时间较短，二极管可以作为更好的开关。
定义
让我们先来看一下讨论的时间段的定义。
存储时间 −二极管即使在反向偏置状态下仍保持导通状态的时间段称为存储时间。
过渡时间 − 返回到非导通状态（即稳定状态反向偏置）所需的时间称为过渡时间。
反向恢复时间 − 二极管从正向偏置变为反向偏置所需的时间称为反向恢复时间。
正向恢复时间 − 二极管从反向偏置变为正向偏置所需的时间称为正向恢复时间。
影响二极管开关时间的因素
影响二极管开关时间的因素很少，例如
二极管电容 − PN 结电容根据偏置条件而变化。
二极管电阻 − 二极管改变其状态时提供的电阻。
掺杂浓度 − 二极管的掺杂水平会影响二极管开关时间。
耗尽层宽度 − 耗尽层的宽度越窄，开关速度越快。齐纳二极管的耗尽区比雪崩二极管窄，这使得前者成为更好的开关。
应用
二极管开关电路的应用有很多，例如 −
- 高速整流电路
- 高速开关电路
- RF接收器
- 通用应用
- 消费应用
- 汽车应用
- 电信应用等。
