多種方法研究二極管的伏安特性曲線

粟春漁 羅光麗 魯曉娟 張寶麗

摘要：介紹了多種用于測(cè)量二極管伏安特性的方法，我們利用四種方法分別測(cè)量同一個(gè)二極管的電流電壓值，并得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出對(duì)應(yīng)各個(gè)方法測(cè)得的二極管的伏安特性曲線，最后通過(guò)對(duì)四種方法測(cè)得的伏安特性曲線圖做出相應(yīng)的分析給出測(cè)量最為精準(zhǔn)的方法。

關(guān)鍵詞：二極管；伏安特性曲線；伏安法；等效法對(duì)各種元器件的伏安特性進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們常用的是伏安法。二極管伏安特性的測(cè)量是大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)之一，因此大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)要求每一個(gè)物理、電子類的學(xué)生必須熟練掌握各種精確測(cè)量二極管伏安特性的方法。我們知道，二極管是非線性元件，即當(dāng)加在二極管兩端的電壓增加到某一值后，如果繼續(xù)增大電壓，那么二極管的電阻就會(huì)從無(wú)窮大變到幾十歐姆或甚至更小。當(dāng)對(duì)這種伏安特性變化范圍極大的元器件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們應(yīng)該選擇種哪方法測(cè)量才能較為精準(zhǔn)的測(cè)出其伏安特性呢？本文給出了常見(jiàn)的四種測(cè)量二極管伏安特性的方法，并利用這四種方法測(cè)出了同一個(gè)二極管的伏安特性曲線，幫助讀者理解二極管正向?qū)ǚ蔡匦宰兓闆r。

1常見(jiàn)的四種測(cè)量二極管的伏安特性曲線的方法

1.1 伏安法的內(nèi)接法[1]和外接法[2]

利用伏安法的電流表內(nèi)接法和電流表外接法對(duì)二極管的伏安特性進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們分別對(duì)這兩種方法的實(shí)驗(yàn)電路圖分析可知，當(dāng)利用這兩種實(shí)驗(yàn)電路對(duì)二極管的電流電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)都會(huì)存在誤差，誤差主要來(lái)源是由于電表內(nèi)阻的接入而引起的。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)外接法實(shí)驗(yàn)電路圖的分析還可以知道，當(dāng)電流表電壓表的測(cè)量值分別為I,U時(shí)，由于電壓表內(nèi)阻的分流作用，使得實(shí)際流經(jīng)二極管RD的電流I'要小于I，且存在以下關(guān)系：

⑴式中的RV表示電壓表的內(nèi)阻。

同樣對(duì)內(nèi)接法實(shí)驗(yàn)電路分析可知，當(dāng)電流電壓表的測(cè)量示數(shù)分別為I,U時(shí)，由于電流表內(nèi)阻的分壓作用使得二極管兩邊的實(shí)際電壓U'＜U，且存在如下關(guān)系：

⑵式中的RV表示電流表的內(nèi)阻。

1.2 補(bǔ)償法和等效法

通過(guò)對(duì)補(bǔ)償法測(cè)二極管伏安特性實(shí)驗(yàn)電路[4]分析可知，補(bǔ)償法的理論誤差為零，誤差的大小主要取決于檢流計(jì)的靈敏度和電表的精度，與伏安法中的內(nèi)、外接法相比，當(dāng)利用補(bǔ)償法對(duì)二極管的電流電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為精準(zhǔn)。在大學(xué)中由于在補(bǔ)償法中引入電橋，這就使得其測(cè)量誤差幾乎為零。

除了以上談到的三種測(cè)量二極管伏安特性的方法之外，通常我們還采用的一種方法是等效法，等效法的方法是在測(cè)量二極管的伏安特性時(shí)利用一個(gè)可變電阻Ro來(lái)替代二極管RD，達(dá)到一個(gè)等效替換的效果。等效法實(shí)驗(yàn)電路圖與補(bǔ)償法實(shí)驗(yàn)電路圖相比，特別是與電路圖中引入了電橋[3]的補(bǔ)償法實(shí)驗(yàn)電路圖相比，其電路圖的連接更為簡(jiǎn)單，操作也更為簡(jiǎn)便。由等效法實(shí)驗(yàn)電路[5]連接方式可以知道：若電流表示數(shù)為I，則流經(jīng)二極管的電流為ID，RO、RD存在如下關(guān)系：

故可有

2四種方法測(cè)量二極管電流電壓的結(jié)果

2.1 分別用四種方法來(lái)對(duì)二極管的的電流電壓做了相應(yīng)的測(cè)量得到表一中的數(shù)據(jù)

由表一我們可以清楚的看到當(dāng)二極管兩端電壓在低于 0.13mV的范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)相同的電壓值，電流表外接法所測(cè)得的電流都比其他三種的要大，與電流表外接法相反的是，在電壓變化范圍小于0.13mV的范圍內(nèi)，電流表內(nèi)接法所測(cè)得的對(duì)應(yīng)電流均小于其他三種方法的測(cè)量結(jié)果。但是在電壓變化大于0.13mV后，四種方法測(cè)得的結(jié)果幾乎相同。

2.2 利用表一中四種方法測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出了下圖一中U-I關(guān)系圖

由圖一我們可以清晰的看到，外接法在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量結(jié)果相對(duì)其他三種來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)呈偏大趨勢(shì)，內(nèi)接法和補(bǔ)償法測(cè)得的伏安特性曲線較為接近，通過(guò)對(duì)四條伏安特性曲線進(jìn)行分析可以看到，隨著測(cè)量電壓增大到某一后，該四種方法測(cè)得的曲線幾乎相吻合在一起。

3分析與總結(jié)

通過(guò)比較分析表一和圖一中的數(shù)據(jù)和圖象，我們可以清楚的看到外接法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他三種方法的所測(cè)的的數(shù)據(jù)相差較大，在加壓的整個(gè)區(qū)域，相同電壓下，流經(jīng)外接法的電流都比其他三種的偏大，而內(nèi)接法測(cè)得的電流與另外三種測(cè)量結(jié)果相比整個(gè)變化過(guò)程的電流相對(duì)較小。但是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像我們還可以觀察到一個(gè)重要現(xiàn)象，即無(wú)論是利用哪一種方法對(duì)二極管進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)電壓增加到某一個(gè)值后它們的伏安特性曲線幾乎都能重合，并以相同的變化率變化。因此當(dāng)在所有曲線保持相同變化率的這段曲線上任取一點(diǎn)做切線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓我們稱為該二極管的閾值電壓[6]，它與二極管的材料有關(guān)。

綜合分析以上四種測(cè)量方法，我們認(rèn)為由于在采用外接法測(cè)量得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或伏安特性曲線變化較大，等效法、電流表內(nèi)接法和補(bǔ)償法測(cè)量得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或伏安特性曲線波動(dòng)較小，并且相對(duì)吻合，因此在對(duì)二極管的伏安特性曲線進(jìn)行測(cè)量時(shí)，當(dāng)選擇電流表內(nèi)接法或補(bǔ)償法測(cè)量后得的結(jié)果較為理想。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王新生.用伏安法測(cè)繪二極管伏安特性的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2000，13(3):41-43.

[2]王會(huì)春,等．介紹測(cè)二極管伏安特性的幾種方法[J].遼寧師專學(xué)報(bào)，2006，16(9):8-9．

[3]宏基.惠斯通電橋法與伏安法測(cè)電阻的比較[J].遼寧師專學(xué)報(bào)，2012,14(4):9-10.

[4]董傳華．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(第2版)[M]．上海：上海大學(xué)出版社，2003：328 -330．

[5]衛(wèi)德常,令孤榮峰．用伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)中電路的選擇[J].物理實(shí)驗(yàn)，1997(3)：130.

[6]陳瑩梅,劉平安,陸申龍.發(fā)光二極管基本物理特性測(cè)量及研究[J].大學(xué)物理，2007，2（8）：49-52