开关二极管

什么是开关二极管？

开关二极管是一种pn结二极管，也称为小信号二极管。pn结二极管的应用包括整流。用于电源整流的二极管需要高耐压（200至1000 V）和高额定电流（0.5 A或更高）。相比之下，开关二极管设计用于低压逻辑电路。因此，开关二极管的耐压较低，为80至200 V，额定电流较低，为0.15至0.5 A。因此，可以减小开关二极管的结面积，从而实现低电容和短反向恢复时间。

开关二极管广泛应用于各种电子设备，包括开关、瞬态电压抑制器、二极管逻辑电路、电压钳位电路和电压检测电路。

开关二极管的工作原理

半导体二极管导通时，相当于开关闭合（电路接通）；截止时，相当于开关断开（电路截止）。由于半导体二极管的单向导电特性，在正向偏压下，PN结导通，导通状态下的电阻很小，约几十至几百欧姆；在反向偏压下，则截止，其电阻很大，一般硅二极管在10MΩ以上，锗管也有几万欧姆至几十万欧姆。利用这一特性，二极管在电路中将起到控制电流通断的作用，是一种理想的电子开关。

开关二极管结构

上面的描述适用于任何普通的二极管或者二极管本身的原理，但对于开关二极管来说，最重要的特性是在高频下的性能。在高频条件下，二极管的势垒电容表现出极低的阻抗，并且与二极管并联，当这个势垒电容的电容量达到一定程度时，会严重影响二极管的开关性能，在极端条件下，二极管会短路，高频电流不再通过二极管，而是直接旁路势垒电容，二极管失效。开关二极管的势垒电容 一般很小，相当于堵住了势垒电容的路径，达到了在高频下保持良好的单向导电性的效果。

开关二极管示意图

开关二极管的工作特性

开关二极管从关断（高阻态）到导通（低阻态）的时间 称为导通时间。从导通到结束的时间称为反向恢复时间。两者之和称为开关时间。一般反向恢复时间大于导通时间，所以在开关二极管的工作参数中只给出反向恢复时间。开关二极管的开关速度 相当快，硅开关二极管的反向恢复时间 只有几个纳秒，即使是锗开关二极管，其反向恢复时间也只有几百纳秒。

开关二极管具有开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高的特点，广泛应用于电子设备的开关电路、检波电路、高频及脉冲整流电路、自动控制电路中。

当在开关管两极加上正向电压时，二极管处于导通状态，相当于开关的导通状态。当在开关二极管上加上反向电压时，二极管处于截止状态，相当于开关的截止状态。开关二极管 正是利用这一特性，实现了更好的开关特性，开关速度更快，PN结的结电容更小，导通时内阻更小，截止时内阻更大。

（1）导通时间。开关二极管 从截止到导通需要的时间，称为导通时间。这个时间越短越好。

（2）反向恢复时间。开关二极管导通后 ，移除正向电压，二极管从导通到关断所需的时间称为反向恢复时间。这个时间越短越好。

（3）开关时间。导通时间与反向恢复时间之和称为开关时间。这个时间越短越好。

开关二极管的类型

开关二极管 分为普通开关二极管、高速开关二极管、超高速开关二极管、低功耗开关二极管、高反压开关二极管、硅耐压开关二极管等。开关二极管的封装形式有塑封和 表面封装。 

普通开关二极管

常用的通用开关二极管 是2AK系列锗开关二极管，下表是2AK系列开关二极管的主要参数。

2AK系列开关二极管主要参数

高速开关二极管

高速开关二极管比一般开关二极管 反向恢复时间短 ，开关频率更快。国产常用的高速开关二极管有2CK系列、1N系列、1S系列、1SS系列（引线 塑封）、RLS系列（表面贴装）。

高速二极管型号参数

超高速开关二极管

常用的超高速二极管有1SS系列（引线塑料封装）和RLS系列（表面封装）。

超高速开关二极管型号参数

小功率开关二极管

低功耗开关二极管功耗较低，但其 零偏电容和反向恢复时间值低于高速开关二极管。常用的低功耗开关二极管 有RLS系列（表面封装）和ISS系列（引线塑封）。

小功率开关二极管参数

高反压开关二极管

高反压开关二极管的反向击穿电压 在220V以上，但其零偏电容和反向恢复时间值较大。常用的高反压开关二极管有RLS 系列（表面封装）和1SS系列（引线塑封）。

高反压开关二极管型号参数

硅电压开关二极管

硅电压开关二极管 是一种新型半导体器件，分为单向电压开关二极管 和双向电压开关二极管，主要用于触发器、过压保护电路、脉冲发生器及高压输出、延时、电子开关等电路中。

两种常用硅电压开关二极管的主要参数

单向电压开关二极管外形图及电路图形符号

单向电压开关二极管 又称转折二极管，由PnPN四层结构的硅半导体材料构成。正向为负阻开关特性（指当施加的电压上升到正向的转折电压值时，开关二极管由截止 态转为导通态，即由高阻变为低阻），反向为稳定特性。双向电压二极管由NPnPN五层硅半导体材料构成，其正向和反向具有相同的负阻开关特性。

双向电压开关二极管外形图及电路图形符号

开关二极管典型应用电路分析

1、 下图所示为一个典型的二极管开关电路，电路中VD1为开关二极管，L1与电容C1组成LC并联谐振电路。

（1）当开关S1断开时，直流电压+V无法加到VD1的正极。此时VD1截止，正极与负极之间的电阻很大，导致C2因VD1开路而无法接入电路。L1与C1并联，构成LC并联谐振电路。

（2）当开关S1导通时，直流电压+V经S1、R1加到VD1的正极，使VD1导通。正极与负极之间的电阻很小，相当于VD1正极与负极之间的连接。这样，C2接入电路，与电容C1并联。L1与C1、C2组成LC并联谐振电路。

以上两种状态中，由于LC并联谐振电路中电容值不同，一种情况是仅有C1，另一种情况是C1和C2并联。电容值不同，导致LC并联谐振电路的谐振频率不同。因此，VD1所在电路的真正作用是控制LC并联谐振电路的谐振频率。

当电路中存在开关时，电路的分析以开关导通和截止的情况为例，分析电路的工作状态。因此，当电路中出现开关元件时，可以为电路分析提供思路。LC并联谐振电路中的信号通过C2加到VD1的正极。但由于谐振电路中信号的幅度相对较小，加到VD1正极的正半周信号幅度很小，不会使VD1导通。

2. 类似电路工作原理分析

如图所示，电路中VD1为开关二极管，控制电压通过R1加到VD1的正极，控制电压为矩形脉冲电压，其波形如图所示。

当控制电压为0V时，VD1无法导通，相当于断路，此时对L1与C1、L2与C2电路均无影响。当控制电压为高电平时，控制电压使开关二极管VD1导通 ，电路中A点交流信号经导通的VD1和电容C3接地，相当于电路中A点交流接地，使L2和C2电路不工作。

从上面的分析可以看出，电路中的二极管VD1相当于一个开关，控制电路中A点交流信号是否接地。