所有數(shù)字集成電路都是由晶體二極管、晶體三極管和場效應管組成的。它們大部分工作在導通和截止狀態(tài)，相當于開關的“接通”和“斷開”，因此被稱為電子開關。電子開關較機械開關具有速度高、可靠程度高、無抖動、功耗低、體積小等諸多優(yōu)點。本節(jié)將討論雙極型晶體管的開關特性。
一、晶體二極管的開關特性
在數(shù)字電路中，晶體二極管（以下簡稱二極管）常工作于開關狀態(tài)，在數(shù)字信號作用下，它時而導通，時而截止，相當于開關的“閉合”與“斷開”。研究二極管的開關特性，就是要分析它在什幺條件下導通，什幺條件下截止，既要分析其靜態(tài)開關特性，也要分析它在導通與截止兩種狀態(tài)之間的轉換過程，即分析其動態(tài)開關特性。
1． 二極管靜態(tài)開關特性
（1）二極管正向導通時的特點及導通條件
以硅二極管為例，當外加正向電壓使二極管承受一定的正向偏置時，二極管正向導通，其電壓、電流正方向如圖1所示。
圖2為二極管的伏—安特性曲線，它是二極管電流與兩端電壓的關系曲線。
圖1 二極管開關電路 圖2 二極管伏—安特性曲線（未按比例畫出）
當二極管外加正向電壓 ≥ 時，二極管導通，此后，隨著外加電壓增大，電流按指數(shù)規(guī)律變化。von是二極管的門檻（閾值、開啟）電壓，硅管約為0.5v，鍺管約為0.1v。 ≥ 時，特性趨于直線，vd基本不隨電流變化。vd稱為二極管的導通壓降，硅管約為0.7v，鍺管約為0.3v。在數(shù)字電路的分析估算中，常將vd=0.7v視為硅二極管的導通條件。
圖3 二極管正向導通時的等效電路 圖4 二極管截止時的等效電路
圖3為二極管正向導通時的等效電路。當外加正向電壓vih（輸入信號高電平）使硅二極管導通后，可近似認為 保持0.7v不變。因此，在數(shù)字信號作用下二極管正向導通時，它相當于一個具有0.7v壓降的閉合的開關。
（2）二極管截止時的特點及截止條件
當外加電壓較小或者承受反向偏置時，二極管截止。
由圖2所示的二極管伏—安特性曲線可見，當 ＜ ＜ 時二極管截止，只有很小的反向漏電流 流過二極管。硅管的反向漏電流 ＜1 ，，鍺管的 ＜20 ，
≤ 時，二極管反向擊穿。 是二極管的反向擊穿電壓。
在數(shù)字電路的分析計算中，常將 ＜ 視為硅二極管的截止條件。實際電路中，外加壓常使 ≤０，以保證二極管可靠截止。
圖4為二極管截止時的等效電路，當外加數(shù)字信號為 （輸入信號低電平，小于 ）時，二極管截止。此時，可認為 為０，二極管如同斷開的開關。
2. 二極管動態(tài)開管特性
工作在開關狀態(tài)的二極管除了有導通和截止兩種穩(wěn)定狀態(tài)外，還要在導通和截止之間轉換，這個轉換的過程稱為二極管動態(tài)過程（或過渡過程）。當輸入電壓波形如圖5（a）時，理想開關的輸出電流波形如圖5（b）所示。實際的輸出波形如圖5（c）所示。
圖5 二極管開關的過渡過程
（a） 輸入電壓波形；（b）理想過渡過程；（c）實際過渡過程。
由圖5可見，在 時刻，二極管從正向偏置突變?yōu)榉聪蚱?，由于二極管存在結電容且在導通后充電，因此二極管在由導通轉變到截止的過程中，在二極管內(nèi)產(chǎn)生了很大的反向電流 ，二極管才進入截止狀態(tài)。 是二極管從導通到截止所需的時間，稱為反向恢復時間。小功率開關管的 一般為納秒數(shù)量級。反向恢復時間 對二極管開關動態(tài)特性有很大影響。若二極管兩端輸入電壓的頻率過高，以至輸入負電壓的持續(xù)時間小于它的反向恢復時間時，二極管將失去其單向導電性。當然，二極管從截止到導通也是需要時間的，這段時間稱為開通時間 ，這段時間較短，一般可以忽略不計。所以二極管作為開關使用時與理想開關在靜特性和動特性方面都是有一定差別的，但一般可以近似將其視為理想開關。
3. 二極管的開關參數(shù)
這里僅介紹二極管作為開關應用時的一些參數(shù)。
（1）反向恢復時間 ：指在規(guī)定負載、正向電流及最大反向瞬態(tài)電流下測出的反向恢復時間。例如，硅開關管2ck15，當負載電阻為50 時，由正向電流 =10 變?yōu)樽畲蠓聪螂娏? =10 的10%時， =5ns。
（2）零偏壓電容：指二極管兩端電壓為零時，擴散電容和結電容的容量之和。例如2ck15的零偏壓電容小于5pf。
4. 二極管開關的應用
二極管開關的應用范圍很廣，可以組成脈沖極性選擇電路、限幅電路和鉗位電路等，分析電路是將其視為理想開關，即正向導通時忽略其正向壓降，相當于開關短路接通，電阻為零；反向截止時忽略其反向漏電流，相當開關斷開，電阻無窮大。
下面簡要介紹開關二極管的應用。
（1）脈沖極性選擇電路
數(shù)字電路中，經(jīng)常需要單一方向變化的脈沖信號。這可以用圖6(a)所示的開關電路實現(xiàn)，當電路的輸入信號為圖6(b)上圖所示的交流脈沖波時，利用開關二極管的單向導電性，在輸出端即可得到正極性脈沖如圖6(b)下圖所示。若要選擇負極性脈沖，則把圖6(a)中的二極管反接即可實現(xiàn)。
圖6 脈沖極性選擇電路及波形
（a）電路；（b）輸入信號、輸出正極性脈沖。
（2）限幅電路
數(shù)字電路所能處理的信號幅度有一定的要求，例如為+5v。若輸入信號幅度過大，可以利用圖7(a)所示電路將其變換為所需的幅度。設vd1和vd2為理想二極管，當電路輸入如圖7(b)所示的電壓信號 v時，其輸出信號電壓 的波形如圖7(b)所示。分析：當 時，vd1導通相當于短路，vd2截止，輸出被限定為 =5v。當 ＜﹣v2時，vd2導通相當于短路，vd1截止，輸出 被限定為 v。當 ＜ ＜ 時， 和 均截止，輸出 = 。
限幅器又稱為削波器，如果用一只二極管則為單限限幅器，分為上限幅（只用 ）和下限幅（只用 ）；若不加限幅電壓v1（或v2）則為零電平限幅器，即將橫坐標軸以上（或以下）的波形削去。調(diào)節(jié)直流電壓v1和v2，即可以改變輸出電壓幅度。
（3）鉗位電路
圖8(a)電路為頂部鉗位器，輸入信號電壓 及其對應輸出信號電壓 的波形如 圖8(b)所示。鉗位器的組成特點是rc ＞＞t，即rc耦合電路的時間常數(shù)遠遠大于信號周期t。
圖7 二極管限幅器 圖8二極管鉗位器
在 時刻：假定電容c未充電，輸入信號 的正跳變使二極管vd正向導通，電容端電壓不能突變，輸出即為二極管的正向壓降（約0.7v，由于二極管的正向導通電阻很小，其余電壓降落在信號源內(nèi)阻上）。而后電容c充電，由于充電回路電阻較小，輸出電壓 很快按指數(shù)規(guī)律下降至零，電容c左正右負充滿電；
在 時刻：輸入電壓 由+1v下跳至﹣1v，電容端電壓不能突變，輸出電壓 則由零下跳同樣幅度至﹣2v，二極管vd反偏而截止。而后電容c通過電阻r放電，由于r比二極管vd導通時電阻大得多，輸出電壓變化較緩慢， ~ 期間內(nèi) 的絕對值略有下降；
在 時刻：輸入電壓 有﹣1v上跳至+1v，電容端電壓不能突變，輸出電壓則由約-2v上跳同樣幅度，二極管vd又正偏導通，重復 時刻的過程， ~ 期間內(nèi)電容放電損失的電荷得到補充，輸出電壓略有上升；
在 時刻重復 時刻的過程。
如果將圖8（a）電路中二極管vd反方向，則組成底部鉗位電路，對應輸入信號，輸出波形的底部被鉗在橫坐標上；如果在二極管的下方接人一個直流電壓源（可以是正電源，也可以是負電源），則輸出波形的底部（或頂部）被鉗在鉗位電壓上，共有四種不同情況。