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：介紹了多種用于測量二極管伏安特性的方法，我們利用四種方法分別測量同一個二極管的電流電壓值，并得出實驗數據。用實驗數據畫出對應各個方法測得的二極管的伏安特性曲線，最后通過對四種方法測得的伏安特性曲線圖做出相應的分析給出測量最為精準的方法。

關鍵詞：二極管；伏安特性曲線；伏安法；等效法對各種元器件的伏安特性進行測量時，我們常用的是伏安法。二極管伏安特性的測量是大學基礎物理實驗之一，因此大學物理實驗要求每一個物理、電子類的學生必須熟練掌握各種精確測量二極管伏安特性的方法。我們知道，二極管是非線性元件，即當加在二極管兩端的電壓增加到某一值后，如果繼續增大電壓，那么二極管的電阻就會從無窮大變到幾十歐姆或甚至更小。當對這種伏安特性變化范圍極大的元器件進行測量時，我們應該選擇種哪方法測量才能較為精準的測出其伏安特性呢？本文給出了常見的四種測量二極管伏安特性的方法，并利用這四種方法測出了同一個二極管的伏安特性曲線，幫助讀者理解二極管正向導通伏安特性變化情況。

1常見的四種測量二極管的伏安特性曲線的方法

1.1 伏安法的內接法[1]和外接法[2]

利用伏安法的電流表內接法和電流表外接法對二極管的伏安特性進行測量時，我們分別對這兩種方法的實驗電路圖分析可知，當利用這兩種實驗電路對二極管的電流電壓進行測量時都會存在誤差，誤差主要來源是由于電表內阻的接入而引起的。在實驗中，通過對外接法實驗電路圖的分析還可以知道，當電流表電壓表的測量值分別為I,U時，由于電壓表內阻的分流作用，使得實際流經二極管RD的電流I'要小于I，且存在以下關系：

⑴式中的RV表示電壓表的內阻。

同樣對內接法實驗電路分析可知，當電流電壓表的測量示數分別為I,U時，由于電流表內阻的分壓作用使得二極管兩邊的實際電壓U'＜U，且存在如下關系：

⑵式中的RV表示電流表的內阻。

1.2 補償法和等效法

通過對補償法測二極管伏安特性實驗電路[4]分析可知，補償法的理論誤差為零，誤差的大小主要取決于檢流計的靈敏度和電表的精度，與伏安法中的內、外接法相比，當利用補償法對二極管的電流電壓進行測量時，實驗結果較為精準。在大學中由于在補償法中引入電橋，這就使得其測量誤差幾乎為零。

除了以上談到的三種測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量二極管的伏安特性時利用一個可變電阻Ro來替代二極管RD，達到一個等效替換的效果。等效法實驗電路圖與補償法實驗電路圖相比，特別是與電路圖中引入了電橋[3]的補償法實驗電路圖相比，其電路圖的連接更為簡單，操作也更為簡便。由等效法實驗電路[5]連接方式可以知道：若電流表示數為I，則流經二極管的電流為ID，RO、RD存在如下關系：

故可有

2四種方法測量二極管電流電壓的結果

2.1 分別用四種方法來對二極管的的電流電壓做了相應的測量得到表一中的數據

由表一我們可以清楚的看到當二極管兩端電壓在低于 0.13mV的范圍內，對應相同的電壓值，電流表外接法所測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，電流表內接法所測得的對應電流均小于其他三種方法的測量結果。但是在電壓變化大于0.13mV后，四種方法測得的結果幾乎相同。

2.2 利用表一中四種方法測得的實驗數據繪出了下圖一中U-I關系圖

由圖一我們可以清晰的看到，外接法在整個測量過程中，測量結果相對其他三種來說，數據呈偏大趨勢，內接法和補償法測得的伏安特性曲線較為接近，通過對四條伏安特性曲線進行分析可以看到，隨著測量電壓增大到某一后，該四種方法測得的曲線幾乎相吻合在一起。

3分析與總結

通過比較分析表一和圖一中的數據和圖象，我們可以清楚的看到外接法的實驗數據與其他三種方法的所測的的數據相差較大，在加壓的整個區域，相同電壓下，流經外接法的電流都比其他三種的偏大，而內接法測得的電流與另外三種測量結果相比整個變化過程的電流相對較小。但是從實驗數據和圖像我們還可以觀察到一個重要現象，即無論是利用哪一種方法對二極管進行測量，當電壓增加到某一個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。因此當在所有曲線保持相同變化率的這段曲線上任取一點做切線與橫坐標的交點對應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。

綜合分析以上四種測量方法，我們認為由于在采用外接法測量得出的實驗數據或伏安特性曲線變化較大，等效法、電流表內接法和補償法測量得的實驗數據或伏安特性曲線波動較小，并且相對吻合，因此在對二極管的伏安特性曲線進行測量時，當選擇電流表內接法或補償法測量后得的結果較為理想。

[參考文獻]

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[2]王會春,等．介紹測二極管伏安特性的幾種方法[J].遼寧師專學報，2006，16(9):8-9．

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

[4]董傳華．大學物理實驗(第2版)[M]．上海：上海大學出版社，2003：328 -330．

[5]衛德常,令孤榮峰．用伏安法測電阻實驗中電路的選擇[J].物理實驗，1997(3)：130.

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