(完整版)半导体二极管伏安特性的研究

半导体二极管伏安特性的研究

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【实验原理】

1.电学元件的伏安特性

在某一电学元件两端加上直流电压，在元件内就会有电流通过，通过元件的电流与其两端电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。一般以电压为横坐标，电流为纵坐标作出元件的电压-电流关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。

对于碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等电学元件，在通常情况下，通过元件的电流与加在元件两端的电压成正比，即其伏安特性曲线为一通过原点的直线，这类元件称为线性元件，如图3-1的直线a。至于半导体二极管、稳压管、三极管、光敏电阻、热敏电阻等元件，通过元件的电流与加在元件两端的电压不成线性关系变化，其伏安特性为一曲线，这类元件称为非线性元件，如图3-1的曲线b、c。伏安法的主要用途是测量研究非线性元件的特性。一些传感器的伏安特性随着某一物理量的变化呈现规律性变化，如温敏二极管、磁敏二极管等。因此分析了解传感器特性时，常需要测量其伏安特性。

图 3–1 电学元件的伏安特性

在设计测量电学元件伏安特性的线路时，必须了解待测元件的规格，使加在它上面的电压和通过的电流均不超过元件允许的额定值。此外，还必须了解测量时所需其他仪器的规格（如电源、电压表、电流表、滑线变阻器、电位器等的规格），也不得超过仪器的量程或使用范围。同时还要考虑，根据这些条件所设计的线路，应尽可能将测量误差减到最小。

测量伏安特性时，电表连接方法有两种：电流表外接和电流表内接，如图3-2所示。

（a）电流表内接；（b）电流表外接

图 3–2 电流表的接法

电压表和电流表都有一定的内阻（分别设为R v和R A）。简化处理时可直接用电压表读

数U 除以电流表读数I 来得到被测电阻值R ，即R=U/I ，但这样会引进一定的系统性误差。使用电流表内接时，R 实测值偏大；使用电流表外接时，R 实测值偏小。通常根据待测元件阻值及电表内阻，选择合适的电表连接方法以减小接入误差的影响：测量小电阻时常采用电流表外接；测量大电阻时常采用电流表内接。如果已知电压表和电流表的内阻，利用下列公式可以对被测电阻R 进行修正。

当电流表内接时：

A R I

U

R -=

（3-1） 当电流表外接时：

V

R U I R 11-= （3-2） 测量电学元件特性应注意以下几点：

(1) 要了解元件的有关参数、性能特点，实验中应保证元件安全使用、正常工作。加在元件上的电压及通过它的电流都应小于其额定数值。

(2) 安排测量电路时，电位器（或滑线变阻器）电路的选择应考虑到调节方便，能满足测量范围的要求。实验中经常采用分压电路，电路图见图3-3。为调节方便，一般电位器阻值应小于负载电阻，但是电位器阻值过小会加重电源的负担。如细调程度不够，可以采用两个电位器组成二级分压（或限流）电路或粗、细调电路。

图 3–3 分压电路

(3) 使用指针式电表选取电表量程时，既要注意测量值不得超量程以保证仪表安全，又要使读数尽可能大以减小读数的相对误差。测量前应注意观察记录电表的机械零点。如零点不对，可小心调节调零螺丝，或记下零点值，进行系统误差修正。

(4) 确定测量范围时，既要保证元件安全，又有覆盖正常工作范围，以反映元件特性。根据测量范围选定电源电压。

(5) 合理选取测量点可以减小测量值的相对误差。测量非线性元件时，选择变化较大的物理量作为自变量较为方便，可以等间隔取测量点，在测量值变化较大时可适当增加测量点。

(6) 在正式测量之前，应对被测元件进行粗测，以大致了解被测元件特性、物理规律及变化范围，然后再逐点测量。

【实验内容和要求】

1. 测量普通二极管的正向伏安特性

正向伏安特性采用电流表外接法，测量一个硅普通二极管的正向伏安特性。实验时，根据实验验需要自行调节电阻（或电源输出电压）大小，电流表，电压表选择合适的量程。

从零开始逐渐增加电源电压，读取二极管两端电压值U 和流过它的电流值I ，测量范围 U D ：0~0.80V ，I D ：0~150mA 。

起始阶段，测量点电压间隔0.1V ；电流显著上升阶段，测量点间隔0.02V 。将全部测量数据填入下列数据表格中（表格中的电压用指针式电压表3V 档位测量），并对电压表引入的系统误差进行修正，I 为电流表读数，I D 为修正后的电流0I R U I I V

D

D --

=，U D 为电压表读数减去零点读数（一般需要调零）。

数据记录：

待测元件： ，型号 。

电压表：型号 ，准确度等级为 ，档位为 V ，仪器误差限为 ，内阻R V 为 ，零点读数= 。

电流表：型号 ，准确度为 ；量程为 mA 的内阻为 ；零点读数

2. 测量普通二极管的反向伏安特性

反向伏安特性采用电流表内接法，根据实验需要自行调节电阻的大小，电流表、电压表选择合适的量程。测量范围U D ：0~-5V ，测量点间隔0.5V 。一共测读10组数据，将全部测量数据填入自拟的数据表格（参考上表）中，因为二极管的反向电阻远远大于电流表的内阻，故电流表引入的系统误差可以忽略。反向伏安特性如采用电流表外接法，必须考虑电压表内阻分流引起的系统误差。 3 .数据处理

绘制普通二极管正反向伏安特性曲线，正反向坐标可取不同的单位长度。从曲线求1）门槛电压U th ，2）分别求5mA,30mA 处直流电阻R D 。通过本实验，加深对二极管单向导电特性的理解。