半导体二级管和三极管的开关作用

在数字电路中，通常用半导体二极管和三极管来模拟开关的导通和断开的状态，即利用了半导体二极管和三极管的开关作用。

1、半导体二级管的开关作用

由于半导体二极管具有单向导电性，即外加正电压时导通，外加反向电压时截止，所以半导体二极管相当于一个受外加电压控制的开关。

如图1所示，当二极管两端加正向电压（见图1(a)），二级管导通，相当于开关闭合（见图1(b)）；当二极管加反向电压（见图1(c)），二极管截止，相当于开关断开（见图1(d)）。

因此，二极管在电路中表现为一个受外加电压u_i控制的开关。当外加电压u_i为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的动态特性。

用二极管取代图1的开关Ｓ，就可以得到图2所示的二极管开关电路。

图1 半导体二极管的开关特性	图2 半导体二极管开关电路

2、半导体三极管的开关作用

模拟电子技术中已经详细介绍了半导体三极管的结构、特性及电路分析，这里介绍的是半导体三极管在数字电路中的工作状态和工作特点。

用NPN型三极管取代图1中的开关Ｓ，就得到了图3所示的三极管开关电路。前面已经讲过双极性三极管有３种工作状态：截止状态、放大状态和饱和状态。在模拟电路中，主要利用三极管的放大状态工作，而在数字电路中，则是利用三极管的截止状态和饱和状态交替工作，实现输出端高、低电平的转换。

图3 晶体管的基本开关电路

下面介绍如图3所示三极管开关电路中三极管实现开关作用的工作过程。在共射级放大电路中，三极管的输入特性曲线和输出特性曲线如图4所示。

图4(a) 输入特性曲线	图4(b) 输出特性曲线

当输入电压u_i=0时，三极管的基极-发射极电压u_BE=0。由图4(a)所示的输入特性曲线可知，此时i_B=0。由图5-1-6（b）所示的输出特性曲线可知，三极管处于截止状态，近似认为i_C=0，故u_o=V_CC，输出高电平，相当于开关断开，如图3所示。

同样的道理，当u_i>u_on时，i_B>0，三极管的工作状态开始进入放大区。随着u_i的增大，i_B也跟着增大，三极管工作点Q沿着交流负载线上移，当基极的电流i_B增大到一定程度，三极管的工作点Q进入饱和区，三极管工作在饱和状态。此时i_C≈V_CC /R_C，u_CE≈0，即输出电压u_o≈0，输出低电平，相当于开关闭合。

根据以前学过的知识可知，三极管处于饱和状态时三极管的基极电流为，故为使三极管处于饱和状态，开关电路输出低电平，必须保证i_B≥I_BS。

综上所述，只要合理的选择电路参数，保证当u_i为低电平时，u_BE<u_on，三极管工作在截止状态，三极管的集电极和发射极之间相当于开关断开，输出高电平；当u_i为高电平时，i_B≥I_BS，三极管工作在饱和状态，三极管的集电极和发射极之间相当于开关闭合，输出低电平。

3、MOS管的开关特性

用MOS管代替图中的开关S，就得到了图5所示的MOS管开关电路（以N沟道增强型MOS为例）。

当u_i=u_GS<u_GS(th)(u_GS(th)为MOS管的开启电压)时，MOS管工作在截止区。只要负载电阻R_D远远小于MOS管的截止内阻R_OFF，输出电压即为高电平u_o≈V_CC。此时MOS管的D-S间相当于一个开关处于断开状态。

当u_i=u_GS>u_GS(th)并且在u_DS较高的情况下，MOS管工作在恒流区，随着u_i的升高i_D增加，而u_o下降。此时MOS管工作在放大状态。

当u_i继续升高时，MOS管的导通内阻R_ON变得很小（通常在1KΩ以内），只要R_D>>R_ON，则开关电路的输出端将为低电平u_o≈0.此时MOS管的D-S间相当于一个开关处于闭合状态。

图5 MOS管基本开关电路

综上所述，只要电路参数选择得当，就可以做到输入为低电平时MOS管截止，开关电路输出高电平；输入高电平时MOS管导通，开关电路输出低电平。