所有數(shù)字集成電路都是由晶體二極管、晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管組成的。它們大部分工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的“接通”和“斷開(kāi)”，因此被稱(chēng)為電子開(kāi)關(guān)。電子開(kāi)關(guān)較機(jī)械開(kāi)關(guān)具有速度高、可靠程度高、無(wú)抖動(dòng)、功耗低、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)。本節(jié)將討論雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)特性。
一、晶體二極管的開(kāi)關(guān)特性
在數(shù)字電路中，晶體二極管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)二極管）常工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在數(shù)字信號(hào)作用下，它時(shí)而導(dǎo)通，時(shí)而截止，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的“閉合”與“斷開(kāi)”。研究二極管的開(kāi)關(guān)特性，就是要分析它在什幺條件下導(dǎo)通，什幺條件下截止，既要分析其靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性，也要分析它在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，即分析其動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性。
1． 二極管靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性
（1）二極管正向?qū)〞r(shí)的特點(diǎn)及導(dǎo)通條件
以硅二極管為例，當(dāng)外加正向電壓使二極管承受一定的正向偏置時(shí)，二極管正向?qū)?，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(guān)系曲線。
圖1 二極管開(kāi)關(guān)電路 圖2 二極管伏—安特性曲線（未按比例畫(huà)出）
當(dāng)二極管外加正向電壓 ≥ 時(shí)，二極管導(dǎo)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(mén)檻（閾值、開(kāi)啟）電壓，硅管約為0.5v，鍺管約為0.1v。 ≥ 時(shí)，特性趨于直線，vd基本不隨電流變化。vd稱(chēng)為二極管的導(dǎo)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(dǎo)通條件。
圖3 二極管正向?qū)〞r(shí)的等效電路 圖4 二極管截止時(shí)的等效電路
圖3為二極管正向?qū)〞r(shí)的等效電路。當(dāng)外加正向電壓vih（輸入信號(hào)高電平）使硅二極管導(dǎo)通后，可近似認(rèn)為 保持0.7v不變。因此，在數(shù)字信號(hào)作用下二極管正向?qū)〞r(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)具有0.7v壓降的閉合的開(kāi)關(guān)。
（2）二極管截止時(shí)的特點(diǎn)及截止條件
當(dāng)外加電壓較小或者承受反向偏置時(shí)，二極管截止。
由圖2所示的二極管伏—安特性曲線可見(jiàn)，當(dāng) ＜ ＜ 時(shí)二極管截止，只有很小的反向漏電流 流過(guò)二極管。硅管的反向漏電流 ＜1 ，，鍺管的 ＜20 ，
≤ 時(shí)，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(jì)算中，常將 ＜ 視為硅二極管的截止條件。實(shí)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(shí)的等效電路，當(dāng)外加數(shù)字信號(hào)為 （輸入信號(hào)低電平，小于 ）時(shí)，二極管截止。此時(shí)，可認(rèn)為 為０，二極管如同斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。
2. 二極管動(dòng)態(tài)開(kāi)管特性
工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的二極管除了有導(dǎo)通和截止兩種穩(wěn)定狀態(tài)外，還要在導(dǎo)通和截止之間轉(zhuǎn)換，這個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程稱(chēng)為二極管動(dòng)態(tài)過(guò)程（或過(guò)渡過(guò)程）。當(dāng)輸入電壓波形如圖5（a）時(shí)，理想開(kāi)關(guān)的輸出電流波形如圖5（b）所示。實(shí)際的輸出波形如圖5（c）所示。
圖5 二極管開(kāi)關(guān)的過(guò)渡過(guò)程
（a） 輸入電壓波形；（b）理想過(guò)渡過(guò)程；（c）實(shí)際過(guò)渡過(guò)程。
由圖5可見(jiàn)，在 時(shí)刻，二極管從正向偏置突變?yōu)榉聪蚱?，由于二極管存在結(jié)電容且在導(dǎo)通后充電，因此二極管在由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變到截止的過(guò)程中，在二極管內(nèi)產(chǎn)生了很大的反向電流 ，二極管才進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 是二極管從導(dǎo)通到截止所需的時(shí)間，稱(chēng)為反向恢復(fù)時(shí)間。小功率開(kāi)關(guān)管的 一般為納秒數(shù)量級(jí)。反向恢復(fù)時(shí)間 對(duì)二極管開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性有很大影響。若二極管兩端輸入電壓的頻率過(guò)高，以至輸入負(fù)電壓的持續(xù)時(shí)間小于它的反向恢復(fù)時(shí)間時(shí)，二極管將失去其單向?qū)щ娦?。?dāng)然，二極管從截止到導(dǎo)通也是需要時(shí)間的，這段時(shí)間稱(chēng)為開(kāi)通時(shí)間 ，這段時(shí)間較短，一般可以忽略不計(jì)。所以二極管作為開(kāi)關(guān)使用時(shí)與理想開(kāi)關(guān)在靜特性和動(dòng)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(kāi)關(guān)。
3. 二極管的開(kāi)關(guān)參數(shù)
這里僅介紹二極管作為開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)的一些參數(shù)。
（1）反向恢復(fù)時(shí)間 ：指在規(guī)定負(fù)載、正向電流及最大反向瞬態(tài)電流下測(cè)出的反向恢復(fù)時(shí)間。例如，硅開(kāi)關(guān)管2ck15，當(dāng)負(fù)載電阻為50 時(shí)，由正向電流 =10 變?yōu)樽畲蠓聪螂娏? =10 的10%時(shí)， =5ns。
（2）零偏壓電容：指二極管兩端電壓為零時(shí)，擴(kuò)散電容和結(jié)電容的容量之和。例如2ck15的零偏壓電容小于5pf。
4. 二極管開(kāi)關(guān)的應(yīng)用
二極管開(kāi)關(guān)的應(yīng)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(kāi)關(guān)，即正向?qū)〞r(shí)忽略其正向壓降，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)短路接通，電阻為零；反向截止時(shí)忽略其反向漏電流，相當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電阻無(wú)窮大。
下面簡(jiǎn)要介紹開(kāi)關(guān)二極管的應(yīng)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(hào)。這可以用圖6(a)所示的開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電路的輸入信號(hào)為圖6(b)上圖所示的交流脈沖波時(shí)，利用開(kāi)關(guān)二極管的單向?qū)щ娦裕谳敵龆思纯傻玫秸龢O性脈沖如圖6(b)下圖所示。若要選擇負(fù)極性脈沖，則把圖6(a)中的二極管反接即可實(shí)現(xiàn)。
圖6 脈沖極性選擇電路及波形
（a）電路；（b）輸入信號(hào)、輸出正極性脈沖。
（2）限幅電路
數(shù)字電路所能處理的信號(hào)幅度有一定的要求，例如為+5v。若輸入信號(hào)幅度過(guò)大，可以利用圖7(a)所示電路將其變換為所需的幅度。設(shè)vd1和vd2為理想二極管，當(dāng)電路輸入如圖7(b)所示的電壓信號(hào) v時(shí)，其輸出信號(hào)電壓 的波形如圖7(b)所示。分析：當(dāng) 時(shí)，vd1導(dǎo)通相當(dāng)于短路，vd2截止，輸出被限定為 =5v。當(dāng) ＜﹣v2時(shí)，vd2導(dǎo)通相當(dāng)于短路，vd1截止，輸出 被限定為 v。當(dāng) ＜ ＜ 時(shí)， 和 均截止，輸出 = 。
限幅器又稱(chēng)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(biāo)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(hào)電壓 及其對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)電壓 的波形如 圖8(b)所示。鉗位器的組成特點(diǎn)是rc ＞＞t，即rc耦合電路的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)周期t。
圖7 二極管限幅器 圖8二極管鉗位器
在 時(shí)刻：假定電容c未充電，輸入信號(hào) 的正跳變使二極管vd正向?qū)?，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?qū)娮韬苄?，其余電壓降落在信?hào)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(fù)充滿(mǎn)電；
在 時(shí)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(guò)電阻r放電，由于r比二極管vd導(dǎo)通時(shí)電阻大得多，輸出電壓變化較緩慢， ~ 期間內(nèi) 的絕對(duì)值略有下降；
在 時(shí)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(dǎo)通，重復(fù) 時(shí)刻的過(guò)程， ~ 期間內(nèi)電容放電損失的電荷得到補(bǔ)充，輸出電壓略有上升；
在 時(shí)刻重復(fù) 時(shí)刻的過(guò)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(duì)應(yīng)輸入信號(hào)，輸出波形的底部被鉗在橫坐標(biāo)上；如果在二極管的下方接人一個(gè)直流電壓源（可以是正電源，也可以是負(fù)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。