數字萬用表測量二極管導通壓降的溫度特性

張德根

皖西學院基礎實驗中心，安徽 六安 237000

數字萬用表測量二極管導通壓降的溫度特性

張德根

皖西學院基礎實驗中心，安徽 六安 237000

采用數字萬用表的“二極管測量”檔，對兩種型號的二極管導通壓降的溫度特性進行測量，實驗方法簡便、操作簡單，并準確地測定導通壓降的溫度特性。

數字萬用表；導通壓降；負溫度系數

digital multimeter; voltage drop; negative temperature coefficient

引言

二極管正向導通后，它的正向壓降基本保持不變（硅管為0.7V，鍺管為0.3V）。在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數值（這一數值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V）以后，二極管才能真正導通。導通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。

早在六十年代初，人們就試圖用PN結正向壓降隨溫度升高而降低的特性作為測溫元件，由于當時PN結的參數不穩定，始終未能進入實用階段。隨著半導體工藝水平的提高以及人們不斷地探索，到七十年代時，PN結以及在此基礎上發展起來的晶體管溫度傳感器，已成為一種新的測溫技術躋身各個應用領域了。在大學物理實驗中，對PN結的溫度特性大多采取恒流源法測量，本實驗用數字萬用表測量二極管導通壓降的溫度特性。目前數字式萬用表性能好，測量靈敏度高，便于攜帶，使用方便。

1 實驗原理

1.1 用數字萬用表測二極管導通壓降

數字萬用表二極管檔開路電壓約為2.8V，紅表筆接正，黑表筆接負，測量時提供電流約為1mA，顯示值為二極管正向壓降近似值，單位是mV或V。硅二極管正向導通壓降約為0.5V～0.8V。鍺二極管鍺正向導通壓降約為0.1V～0.3V。并且功率大一些的二極管正向壓降要小一些。如果測量值小于0.1V，說明二極管擊穿，此時正反向都導通。如果正反向均開路說明二極管PN結開路。對于發光二極管，正向測量時二極管發光，管壓降約1.7V左右。

1.2 PN結的溫度特性

理想PN結的正向電流IF、反向飽和電流IS和正向壓降uF存在如下近似關系：

其中：e為電子電荷，k為波爾茲曼常數，T為絕對溫度。Is與PN結材料的禁帶寬度以及溫度等有關，其表達式如下：

式中：A，B是與面積、摻雜濃度有關的常數；ug0為絕對零度時PN結材料的導帶底和價帶頂的電勢差（禁帶寬度）。將式（2）代入式（1），且兩邊取對數可得

綜上所述，在恒流供電的條件下，即IF為常量，PN結的uF對T的關系取決于線性項u1，從式（4）中可看出正向壓降幾乎隨溫度的升高而線性下降，這就是PN結測溫的理論依據。通過數字萬用表的“二極管測量”檔，對二極管的導通壓降的測量，并結合PN結的溫度特性，可以很方便地測出PN結導通壓降的溫度特性。

2 實驗方法及數據

實驗所需儀器有：數字萬用表、兩種型號的二極管、干井恒溫器、連接導線等。將待測二極管放入加熱器中，焊接兩根導線，連接數字萬用表的紅黑表筆，萬用表置于“二極管測量”檔，設置干井恒溫器加熱溫度，最后對二極管進行加熱。實驗記錄溫度范圍為17℃～67℃，每升高1℃從數字萬用表讀出二極管導通電壓值。數據記錄如表1：

表1 實驗數據

3 實驗結果與分析

圖1 PN結導通壓降的溫度特性

本實驗采用數字萬用表“二極管測量”檔法測量二極管導通壓降的溫度特性，與以往采取恒流源法測量相比較，不需要外接電路，不需要其他測量儀器，如電流表和電壓表等，直接就可以從數字萬用表觀察到二極管導通電壓隨溫度的變化關系。如圖1所示得到兩個二極管導通壓降的溫度特性，得出經過origin線性擬合后直線方程為：uF1=0.54158-0.00219t；uF2=0.76238-0.00167t。從兩方程中可知，二極管導通壓降隨溫度的升高幾乎呈直線下降，這結果與PN結溫度傳感器基本方程的理論是相吻合的，且溫度每升高1℃二極管的壓降下降2.19mV和1.67mV，實驗結果顯示出二極管的負溫度系數。

[1]王水成.數字萬用表二極管檔測試原理與使用方法[J].電子儀器儀表用戶，1999，06：36～39.

[2]黃宏緯.應用計算機測定PN結正向壓降的溫度特性[J].物理實驗，2006,26（10）：18～19.

[3]陳水橋.PN結正向壓降溫度特性的研究和應用[J].物理實驗，2000,20（7）：7～9.

Using digital multimeter to measure the temperature characteristics of the diode voltage drop

Zhang Degen
The center of basic experiment, West Anhui University, Luan Anhui 237000

By the “diode measurement” stall of digital multimeter, the temperature characteristics of the two types of diode voltage drop were measured, the experimental method was simple, easy, and the measurement results of temperature characteristics of the diode voltage drop were accurate.

O433

A

張德根（1984-），男，安徽六安人，實驗師，碩士，主要從事物理實驗教學研究工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.053