伏安法測二極管方法及數(shù)據(jù)處理研究

李維銀　張永莉　張莎　海蓮

摘 要：文章采用DH6101伏安特性儀和電化學(xué)工作站兩種平臺測試了1N4007和2AP10二極管的伏安特性，用Origin軟件繪制了I-V曲線圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用DH6101平臺測試不能實(shí)時繪制I-V曲線圖，而采用電化學(xué)工作站能實(shí)時繪制I-V曲線圖，直觀地觀察二極管的伏安特性。利用Origin軟件繪圖降低了繪圖誤差，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的效果。同時，本次實(shí)驗(yàn)中利用Origin軟件擬合了高斯曲線，擬合優(yōu)度很高。

關(guān)鍵詞：伏安法；2AP10；1N4007；電化學(xué)工作站；Origin軟件

電子元件中，二極管是一種只允許電流由單一方向流過的兩個電極的裝置，具有整流功能[1]，被廣泛應(yīng)用于各種交流變直流的整流電路中。搞清楚二極管的特性尤為重要，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，通常利用電流表和電壓表測量二極管的伏安特性。實(shí)驗(yàn)過程中，受到實(shí)驗(yàn)儀器、環(huán)境、實(shí)驗(yàn)條件等因素的限制，必然會出現(xiàn)一定的誤差，影響測量結(jié)果的精確度[2]。目前，實(shí)驗(yàn)過程中，二極管I-V曲線不能實(shí)時繪制，不利用學(xué)生及時觀察它們的特性。電化學(xué)工作站測量I-V曲線時，避免了這個缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)普遍使用，利用計(jì)算機(jī)繪制二極管伏安特性曲線成為可能，這樣有利于提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ耐瑫r，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的能力。Origin是一種專業(yè)的繪圖和數(shù)據(jù)處理軟件，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面有廣泛的應(yīng)用[3-5]。本文利用實(shí)驗(yàn)DH6101伏安特性儀和電化學(xué)工作站分別測試了1N4007和2AP10兩種二極管的伏安特性，用Origin軟件繪制并擬合了I-V曲線圖。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

在DH6101伏安特性儀實(shí)驗(yàn)平臺上，伏安法測二極管2AP10和1N4007伏安特性采用電流表內(nèi)接法和電流表外接法，電路示意如圖1所示。電源電壓在0～10 V內(nèi)調(diào)節(jié)。通過對這兩種方法電路圖分析，發(fā)現(xiàn)這兩種實(shí)驗(yàn)方法都會存在誤差，其主要來源于電表內(nèi)阻接入電路而引起。在電流表外接實(shí)驗(yàn)中，電壓表和電流的讀數(shù)分別是U和I時，由于電壓表內(nèi)阻會進(jìn)行分流，這樣實(shí)際通過二極管的電流I'是小于I，它們之間滿足下面的關(guān)系式[6]：

利用電化學(xué)工作站CHI660E中循環(huán)伏安法對二極管1N4007和2AP10分別測試了它們的伏安特性，將對極和參比電極同時夾在二極管的一端，將工作電極夾在二極管的另一端，此時二極管構(gòu)成模擬電解池。初始電位和高電位都設(shè)為1.0 V，低電位設(shè)在1.0 V，靈敏度設(shè)在1.0e～003A/V。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

利用DH6101伏安特性儀測二極管1N4007和2AP10伏安特性曲線如圖2所示。可以看出，當(dāng)二極管1N4007和2AP10正向電壓分別小于它們的“死區(qū)電壓”時，二極管基本不導(dǎo)電，其電阻極大；當(dāng)正向電壓大于它們的“死區(qū)電壓”時，其電阻較小。電流表內(nèi)、外接法中，二極管1N4007的正向降壓都約為0.6 V，與實(shí)驗(yàn)平臺中給出值（硅二極管0.7 V左右）一致，電流表內(nèi)接法二極管導(dǎo)通后，電流沒有迅速增長，而電流表外接法二極管隨著電壓增大急劇增加，因此，電流表外接法更符合測二極管1N4007的正向伏安特性。二極管2AP10在電流表內(nèi)接法中，正向降壓約為0.6 V，大于實(shí)驗(yàn)平臺中給出值（鍺二極管0.2 V左右），而在電流表外接法中，正向降壓約為0.3 V，與實(shí)驗(yàn)平臺中給出值一致，電流表內(nèi)接法二極管導(dǎo)通后，電流隨著電壓增加增長速度過慢，而電流表外接法二極管隨著電壓增大也急劇增加，對于二極管2AP10，電流表外接法也比較符合測它的正向伏安特性?？傊?，通過電流表內(nèi)、外接法測二極管正向伏安特性實(shí)驗(yàn)比較，可知電流表外接法更符合測它們的正向伏安特性，符合大多數(shù)物理實(shí)驗(yàn)教科書。

在圖2中，同時給出了高斯擬合曲線。高斯擬合是利用Origin軟件進(jìn)行擬合，擬合光譜線型滿足下列關(guān)系式：

（3）

其中，y0是基線，A為峰面積，w為峰的半高寬，xc為峰的位置。利用Origin軟件擬合二極管1N4007和2AP10伏安曲線的擬合優(yōu)度（R2）如表1所示，總體上擬合曲線與測量值擬合程度比較好，相比之下，內(nèi)接法擬合程度比較好。

利用電化學(xué)工作站CHI660E測二極管1N4007和2AP10伏安特性曲線如圖3所示。二極管1N4007的正向降壓約為0.5 V，與DH6101伏安特性儀測測量數(shù)值接近，但略小于實(shí)驗(yàn)平臺中給出值（硅二極管0.7 V左右），二極管導(dǎo)通后，電流隨著電壓增大急劇增加。二極管2AP10的正向降壓約為0.35 V，與DH6101伏安特性儀測測量數(shù)值接近，略大于實(shí)驗(yàn)平臺中給出值（鍺二極管0.2 V左右），二極管導(dǎo)通后，電流隨著電壓增大也急劇增加。圖3中同樣對這兩條曲線做了高斯擬合，發(fā)現(xiàn)它們的擬合度很高（見表1）。

對比這兩種伏安特性曲線測試平臺，可以發(fā)現(xiàn)，采用DH6101平臺測試不能實(shí)時繪制I-V曲線圖，而采用電化學(xué)工作站能實(shí)時繪制I-V曲線圖，直觀地觀察二極管的伏安特性。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理階段，相比手工繪圖，利用Origin軟件繪圖降低了繪圖誤差，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的效果。同時，利用Origin軟件還可以擬合曲線，本次實(shí)驗(yàn)中利用Origin軟件擬合了高斯曲線，擬合優(yōu)度很高。

3 結(jié)語

本文利用實(shí)驗(yàn)DH6101伏安特性儀和電化學(xué)工作站分別測試了1N4007和2AP10兩種二極管的伏安特性。在DH6101伏安特性儀平臺上二極管1N4007在電流表內(nèi)、外接法中的正向降壓都約為0.6 V，與硅二極管（0.7 V左右）一致，二極管2AP10在電流表內(nèi)接法中，正向降壓約為0.6 V，大于鍺二極管（0.2 V左右），而在電流表外接法中，正向降壓約為0.3 V，與鍺二極管一致。兩種方法中，采用電流表外接法時，兩種二極管電流都隨著電壓增大也急劇增加，更符合測它們的正向伏安特性。利用電化學(xué)工作站CHI660E測二極管1N4007和2AP10的正向降壓分別約為0.5 V和0.35 V。利用Origin軟件擬合二極管1N4007和2AP10伏安曲線發(fā)現(xiàn)，總體上擬合曲線與測量值擬合程度比較好，相比之下，內(nèi)接法擬合程度比較好。