实验二十五晶体二极管的伏安特性研究

晶体二极管的伏安特性研究

实验目的

1．熟悉并掌握实验室提供的各种仪器的使用。

2．了解二极管的电学特性，设计合适的电路测量二极管的伏安特性，并根据所测数据测绘二极管的伏安特性曲线。

3．初步掌握测量电路的设计与选择，培养学生思考与解决问题的能力。

实验仪器

实验室可提供的主要仪器

电压表，电流表（毫安表、微安表），滑线变阻器，直流稳压电源，万用表，晶体二极管，单刀开关，连接导线等。如有需要其它仪器，可自行向实验室索取。

原理简介

电阻是电磁学中的重要参量，研究各种电器元件的电学性质，设计或选用测量电阻的方法，是经常会遇到的问题，为了全面、恰当地描述元器件的性质，常常要测量它的伏安特性，给出的不仅是电阻值，而是该元器件电压和电流的函数关系。

在一个电阻元件两端加以不同的电压U时，便有相应不同的电流I通过，通过电压表和电流表就可测得一系列U、I的数据，将其在直角坐标系中作图，即是伏安特性曲线。

伏安特性曲线是直线的元件称为线性元件，例如常用电阻器件；而伏安特性曲线是曲线的元件称为非线性元件，例如晶体二极管、晶体三极管等。

伏安法测电阻的原理是根据欧姆定理RU，其中U是加在电阻两端的电压，I是流I过电阻的电流，由于各种电表都有内阻，将其接入测量电路后，都会影响加在元件上原来的电压和电流，使之不符合上述公式的要求，从而引起测量误差，这是一种因测量方法不完善而引起的系统误差，为了尽量减少这种系统误差，可按照被测电阻阻值的大小选择合适的测量电路，或对测量结果进行修正。 1．伏安法测电阻有两种典型的电路 （1）电流表内接电路（简称内接法）

如图25－1中，电流表接在电压表和被测电阻RX的回路之内，电流表显示的是流过RX的电流I；但是电压表显示的却是RX两端的电压UX与电流表（内阻为RA）两端的电压UA之和，即有

A RAUA U V I RXUX 图25-1 电流表内接电路 UUXUAIRXIRA （25－1）

若以电压表和电流表的示值U、I来计算被测电阻的大小，则有

R测＝URXRA （25－2） I可见，测量值R测比实际电阻RX的阻值大，其偏大的值恰为串入电流表的内阻RA，电流表内阻引起的测量结果的误差为

RXR测－RXRA （25－3）

表示为相对误差的形式

RXRA （25－4） RXRX由此可以看出，当RA<如图25－2所示，电流表接在电压表与 被测电阻RX的回路之外，此时电压表指示

I A IV IX RXUX U 的值UX是电阻RX两端的电压；电流表指 示的电流I是通过被测电阻RX的电流IX 与电压表的电流IV之和，即有

V 图25-2 电流表外接电路 IIVIXUXUX11UX() （25－5） RXRVRXRV若直接用电压表的示值来计算被测电阻的大小，则有

R测RRUXXV （25－6） IRXRV它是被测电阻和电压表内阻的并联值，所以总是小于实际电阻值，由测量方法引起的测量结果的误差为

2RX （25－7） RXR测－RX(RXRV)负号表示R测总是比实际值偏小，表示成相对误差的形式为

RXRX （25－8） RXRXRV由此可以看到，当RV>>RX时，测量结果才有足够的准确度，因此当被测电阻比电压表内阻小得多时，采取外接法电路进行测量。

2．二极管的特性描述：

二极管在电子线路中应用广泛，主要特点是具有单向导电的特性（即正向电阻比反向电阻小），图25－3为一半导体硅二极管的伏安特性曲线。由图可见，对不同的电压U（或电流I），其呈现的电阻值（RiD U）是不同的，即电阻值不是一个常数。测出IIS O Vth vD 图25-3 二极管伏安特性曲线

二极管的电压与电流的关系，对于我们了解和应用它是具有实际意义的。

在二极管两端加正向电压，如果电压很小，此时正向电流几乎为零，当电压超过一定数值后，电流才会随着电压地增加而较快地增大，此时二极管呈现出很小的电阻值，即处于导通的状态。上述这个电压值称为阈值或称门槛电压，它与二极管的材料及温度有关，对硅管而言此值大约为0.7V左右。

在二极管两端加反向电压，当反向电压小于某一数值时，其反向电流始终很小，仅为微安数量级，它与二极管的材料和温度有关，此时二极管呈现出很大的电阻值，当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增加，此时二极管失去了单向导电性，并可能因发热而烧毁，此电压称为二极管的最大反向电压（即击穿电压）。使用时一般不能超过此值。

除了最大反向电压外，二极管还有一个重要参数，那就是额定正向电流。当流过二极管的正向电流超过此值时，二极管会因过分发热而损坏。有关二极管的一些参数可根据二极管的型号在晶体管手册中查到。

实验内容和要求

1．根据二极管的正向特性及反向特性的特点确定实验方案，选择实验仪器，设计合适的测量线路。

2．实验线路图要经过实验指导老师审核后方可进行实验。

3．写出详细的实验步骤，合理地选择实验仪器。接好线路，分别测量二极管的正向特性和反向特性，并将所测数据填入相应的表格。

4．根据测量的据测绘所测二极管的伏安特性曲线。

5．对实验过程中因电表接入而引起的实验误差进行分析和修正。 6．总结实验结果。 提示：

1．为了防止损坏二极管，合理选择加在电路中的电压和电流。 2．为了测量数据的准确，合理地选择电表的量程。

3．为了测绘好实验曲线，需要合理地选择实验数据点，在电流随电压变化缓慢的部分，数据可少取一些，在电流随电压变化较大的部分应多取一些。

4．实验曲线以电流I为纵坐标，电压U为横坐标，绘制时注意坐标轴比例的选择，因为正反向的电压和电流变化的幅度不同，可以考虑正反向电压和电流取不同的比例，以使曲线图更能反映测量的准确度。

数据记录与处理

表25－1 正向特性UI数据

伏特表读数（V） 毫安表读数（mA）

伏特表读数（V） 微安表读数（μA）

表25－2 反向特性UI数据

思考题

1．试分析本实验中产生误差的主要原因。

2．根据实验所得的特性曲线，说明晶体二极管与电阻元件的差别。