（一）断开时，无论Uak在多大范围内变化，其等效电阻Roff=无穷，通过其中的电流Ioff=0。
（二）闭合时，无论流过其中的电流在多大范围内变化，其等效电阻Ron=0，电压Uak=0。
（一）开通时间Ton=0，即开关S由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。
（二）关断时间Toff=0，即开关由闭合状态转换到断开状态哦也不需要时间，亦可以瞬间完成。
客观世界中，当然没有这种理想开关存在。日常生活中使用的乒乓开关、继电器、接触
器等，在一定电压和电流范围内，其静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，根本不可能满足数
字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。虽然，半导体二极管、三极管和MOS管作为开关使
反映加在二极管两端的电压Ud和流过其中的电流Id两者之间关系的曲线，叫做
从图2.1.3所示伏安特性可清楚地看出，当外加正向电压小于0.5V时，二极管工作在死区，
仍处在截止状态。只有在Ud大于0.5V以后，二极管才导通，而且当Ud达到0.7V后，即
使Id在很大范围内变化，Ud基本不变。当外加反向电压时，二极管工作在反向截止区，但当Ud达到
U(BR)――反向击穿电压时，二极管便进入反向击穿区，反向电流Ir会急剧增加，
半导体二极管正向偏置，D工作在正向导通区，其导通压降UD=0.7V，如同一个具
有0.7V压降、闭合了的开关，直流等效电路如图2.1.4(C)所示，显然输出电压等于U1H
通过对最简单的二极管开关电路的分析可知，硅半导体二极管具有下列静态开关特
当外加正向电压UD0.7V时，二极管导通，而且一旦导通之后，就可以近似地
认为UD=0.7V不变，如同一个具有0.7V压降的闭和了的开关。在有些情况下，例如在图
2.1.4所示电路中，当u1=U1H很大时，便可近似地认为uo=U1H，即忽略二极管导通压降。
当外加电压UD0.5V时，二极管截止，而且一旦截止之后，就近似地认为ID=0，
二极管中的PN结里有电荷存在，其电荷量的多少是受外加电压影响的，当外加电
压改变时，PN结里面电荷量也随之改变，这种现在与电容的作用很相似，并用电容Cj表
当二极管外加正向电压时，P区中的多数载流子空穴，N区中的多数载流子电子，
越过PN结后，并不是立即全部复合掉，而是在PN结两边积累起来，形成一定浓度梯度分布，靠近结
边界处浓度高，离边界越远浓度越低。也即在PN结边界两边，因扩散运动而积累了电荷，而且其电
荷量（存储电荷量）也随之成比例地增加。这种现象与电容的作用也很相似，并用CD表示，称之为
Cj和CD的存在，极大地影响了二极管的动态特性。无论是开通还是关断，伴随着Cj、CD
如图2.1.5所示是一个最简单的二极管开关电路及相应的u1和iD的波形。
当输入电压u1由U1L跳变到U1H时，二极管D要经过导通延迟时间td=t2-t1、上升时间tr=t3-t2之
后，才能由截止状态转换到导通状态。其原因在于，当u1正跳变时，只有当PN结中电荷量减少，PN
结由反偏转换到正偏，也即CB放电后，二极管D才会导通，此后流过二极管中的电流iD也只能随着
扩散存储电荷的增加而增加，也即随着CD的充电而增加，并逐步达到稳态值ID=（U1H-UD）/R。
当输入电压u1由U1H跳变到U1L时，二极管D经过存储时间ts=t5-t4、下降时间
（也叫作度越时间）tf=t6-t5之后，才会由导通状态转换到截止状态。ts是存储电荷消散时
间，tf是PN结由正偏到反偏，PN结中电荷量逐渐增加到截止状态下稳态值的时间，也即CD放电、Cj
由于半导体二极管的开通时间ton比关断时间toff短得多，所以一般情况下可以忽略不计，
而只考虑关断时间，也即反向恢复时间。一般开关二极管的反向恢复时间有几个纳秒。例如，用于高
半导体三极管最显著的特点是具有放大能力，能够通过基极电流iB控制其工作状态，是一
图2.1.6 给出的是硅NPN半导体三极管的结构示意图和符号 半导体三极管是一种具有三层、两结、三
电区，两结是发射结 J2、集电结J1，三端是发射极 e、基极b 和集电极c。
输入特性指的是基极电流 iB和基极-发射极间电压 uBE之间的关系曲线，也即反
映函数iB=f(uBE)uBE 的几何图形，见图2.1.7。与半导体二极管的伏安特性相似， 当uBE
大于死区电压 UO=0.5V时，发射结开始导通，当 uBE=0.7V时，即使 iB在很大范围内变
需要指出的是，半导体三极管发射结承受反向电压的能力是很差的，集电极开路时发射 -基
极间的反向击穿电压 U(BR)EBO，—般合金管较高，平面管尤其是高频管只有几伏，有的 甚至不到1V。
输出特性指的是集电极电流 iC和集电极-发射极间电压 uCE之间的关系曲线，也
输出特性非常清晰地反映了 iB对 iC的控制作用。在数字电路中，半导体三极管不是工作在
图2.1.9 给出的是一个最简单的硅半导体三极管开关电路。 输入电压为uI，其低电
在图2.1.9 所示电路中，不难看出，当 uI=UIL=-2V时，三极管T 发射结处于反向偏置，T
ICS是半导体三极管 T 饱和导通时的集电极电流， UCES是 T 饱和导通时集电极到发射极
人们一般把iB与IBS之比 q 叫做饱和深度，也即 图2.1.9 所示电路中，三极管的饱和深度
通过对图 2.1.9 所示简单开关电路的分析可知， 半导体三极管具有下列静态开关
饱和导通条件： 三极管基极电流 iB 大于其临界饱和时的数值 IBS 时，饱和导通即若 时，三极管一定
饱和导通时的特点：由输入特性和输出特性知道，对硅半导体三极管来说，饱和导通以后
式中 U0 是硅管发射结的死区电压。 由硅三极管的输入特性图 2.1.7 知道，当 UbeU0=0.5V 时，管子
基本上是截止的，因此，在数字电路的分析估算中，常把 Ube0.5V 做为硅三极管 截止的条件。
（一） 开关电路中u1 和iC的波形 在图 2.1.9（a）所示开关电路中，当 u1 为矩形脉冲时，相应iC的
升时间tr=t3-t2 之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间
应当特别说明的是， 在数字电路中，半导体三极管饱和导通时，其饱和深度均较深，基区存 储电荷很
半导体三极管开关时间的存在，影响了开关电路的工作速度。一般情况下，由于 toffton ， 所以， 减少
饱和和导通时基区存储电荷的数量， 尽可能地加速其消散过程， 也即缩短存储时 间 ts ，是提高半导体
开关三极管，例如 NPN 3DK 系列，其开关时间 ton 、 toff 都在几十纳秒量级。
MOS 管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压 uGS 控制其工作状态的， 是一种具有
从图 2.1.12（a） 所示结构示意图中可以看出， MOS 管是由金属 -氧化物 -半导体
型区，并引出电极，分别叫做源极 S和漏极D,同时在源极和漏极之间的二氧化硅
SiO2 绝缘层上， 制作一个金属电极栅极 G ，这样得到的便是 N 沟道 MOS 管。
反映漏极电流 iD 和漏极 -源极间电压 uDS 之间关系的曲线族叫做漏极特性曲线， 简称为漏极特性，也
当 uGS 为零或很小时， 由于漏极 D 和源极 S 之间是两个背靠背的 PN 结，即使在漏极加上 正电压
（ uDS0V ）， MOS 管中也不会有电流， 也即管子处在截止状态。
栅极和衬底之间产生的电场已增加到足够强的程度，把 P 型衬底中的电子吸引到交界
面处，形成的 N型层一一反型层，把两个 N+区连接起来，也即沟通了漏极和源极。所以， 称此管为 N
可变电阻区：当 uGSUTN 后，在 uDS 比较小时， iD 与 uDS 成近似线性关系，因此可把 漏极和源极
之间看成是一个可由 uGS 进行控制的电阻， uGS 越大，曲线越陡，等效电阻越 小，如图2.1.13（ a）
在数字电路中， MOS 管不是工作在截止区，就是工作在可变电阻区，恒流区只是一种瞬间 即逝的过度
反映漏极电流 iD 和栅源电压 uGS 关系的曲线叫做转移特性曲线， 简称为转移特性，
当 uGSUTN 时， MOS 管是截止的。当 uGSUTN 之后，只要在恒流区，转移特性曲线基 本上是重合
在一起的。曲线越陡，表示 uGS 对 iD 的控制作用越强，也即放大作用越强，且 常用转移特性曲线的斜
上面讲的是N沟道增强型MOS 管。 对于P 沟道增强型MOS 管， 无论是结构、符
号，还是特性曲线，与N沟道增强型MOS 管都有着明显的对偶关系。 其衬底是N型硅，漏
极和源极是两个P +区，而且它的uGS、uDS极性都是负的，开启电压 U TP 也是负值。P 沟道增强型
MOS 管的结构、符号、漏极特性和转移特性如图2 . 1 .14 所示。
如图2 . 1 .15 所示，是一个最简单的MOS 管开关电路，输入电压是 u1，输
管是导通的，，由于RONRD，所以输出为低电平，即 uO=UOL。
将处于截止状态，因为漏极和源极之间还未形成导电沟道，其等效电路如图2 . 1 .15( b)
在数字电路中，MOS 管导通时，一般都工作在可变电阻区，其导通电阻R ON只有几百欧
MOS管三个电极之间，均有电容存在，它们分别是栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏 源电容CDS。 CGS、
时 td1 和上升时间 tr 之后，才能由截止状态转换到导通状态。 开通时间
需要特别说明，MOS 管电容上电压不能突变，是造成 iD(uO)滞后 u1 变化的主要原因。而 且，由于MOS