二极管伏安特性曲线实验的改进 毕业论文.doc

1 二极管伏安特性曲线实验的改进 中文摘要 本文指出了电子技术实验教材中所给出的测量二极管正向特性曲线的伏安 法和二极管特曲线之间所存在的问题，并提出了更合理的电路。用伏安法测量 二极管的伏安特性曲线并进行讨论和分析。对二极管正向特性曲线，无论采用 外接法还是内接法，都必须对测量数据加以修正，才能给出正确的实验结果。 本文又对修已原因进行说明。 关键词：二极管；伏安特性曲线；伏安法；内接法；外接法 2 目录 中文摘要 1 引言 1 1.二极管 2 二极管的主要参数 3 2.1 正向特性 .3 2.2 反向特性 .4 2.3 反向穿击特性 .4 2.4 最大整流电流 .4 3.线路分析和公式修正 4 4.试验结果及讨论 5 结语 8 参考文献 9 致谢 10 1 引言 用伏安法测量个种元件的特性时，为减少误差，除合适的选择测量电表外， 实际测量还要注意正确的选择合适的测量线路。通常有两种方法一种叫内接法 另一种叫外接法。在测量线性元件的电阻时，根据估计的阻值大小，适当的选 取某种方法，可得到精确的测量结果。但对非线性元件，如二极管，其直流电 阻的大小与加在二极管两端电压的大小和方向都有关系。以型二极管为例，当 加在它两端的正向电压从零加到 左右时，其电流电阻阻值，可以从接近无0.7v 穷大，逐渐变化到数十欧姆。对于这种阻值变化范围很大的元件，在测量其伏 安特性曲线时，不论采用外接或内接，由于电流表内阻的影响，所得测量结果， 均不可能在整个测量范围内都与实际值保持较小的偏差。如果选择内阻较小的 电压表和内阻较大的电流表，这一现象将更为明显。因此，为准确的测量结果， 必须对测量数据加以修正。本文给出的修正公式，分别按电流表外接法和内接 法测量 型稳压二极管的正向特性曲线，计算得出了该二极管伏安特性曲线。2ap9 结果显示，两种方法测量结果都有很大误差，修正后二者结果却基本一致，说 明采用伏安法测量二极管的特性时，对测量结果必须加以修正，对此也给出了 相应的理论解释。 2 1.二极管 二极管是电子技术中最常用的元件，其有性质为正向通电，反响不导通。 结是二极管和其它元件的关键，它是 型半导体和 型半导体的相互集合而pnpn 组成。 晶体二极管也称半导体二极管，它是在 结上加接触电极、引线和管壳封 装而成的。按其结构，通常有点接触型和面结型两类。常用符号如图 中z017 、 （本资料用 ）来表示。vd 所谓半导体是电性能介于导体和绝缘之间的物体。半导体理论证实在半导 体中在两种导电的物体，一种是自由电子，另一种是带正电的空穴，它们在外 电场的作用下都有定向移动的效应都能运载电荷形成电流，通常称为载流子。 点接触型适用于工作电流小、工作频率高的场合；（如图 ）二极管的z018 正向电流只零点几毫安，因此二极管的正向电阻很小，在正向特性曲线的原点 正向电压很小，外电场不能克服 结的内电场，所以可作正向电流为零。此时pn 二极管表示最大的电阻，这种状态叫做载止状态。 面结合型适用于工作电流较大、工作频率较低的场合；（如图 ） 019 平面型适用于工作电流大、功率大、工作频率低的场合。 （如图 ） z 按使用的半导体材料分，有硅二极管和锗二极管；按用途分，有普通二极管、 整流二极管、检波二极管、混频二极管、稳压二极管、开关二极管、光敏二极 管、变容二极管、光电二极管等。 二极管是由一个 结构成的，它的主要特性就是单向导电性，通常主要用pn 它的伏安特性来表示。 二极管的伏安特性是指流过二极管的电流 与加于二极管两端的电压id 之间的关系或曲线。用逐点测量的方法测绘出来或用晶体管图示仪显示出ud 来的 曲线，称二极管的伏安特性曲线。图 是二极管的伏安特性曲线i z01 3 示意图，依此为例说明其特性。 二极管的主要参数 2.1 正向特性 由图可以看出，当所加的正向电压为零时，电流为零；当正向电压较小时， 由于外电场远不足以克服 结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，故pn 正向电流很小（几乎为零） ，二极管呈现出较大的电阻。这段曲线称为死区。 当正向电压升高到一定值 以后内电场被显著减弱，正向电流才有明yu(th) 显增加。 被称为门限电压或阀电压。 视二极管材料和温度的不同而不同，yuy 常温下，硅管一般为 左右，锗管为 左右。在实际应用中，常把正向0.5v0.1v 特性较直部分延长交于横轴的一点，定为门限电压 的值，如图中虚线与 轴yuu 的交点。 当正向电压大于 以后，正向电流随正向电压几乎线性增长。把正向电流yu 随正向电压线性增长时所对应的正向电压，称为二极管的导通电压，用 来表f 示。通常，硅管的导通电压约为 到 （一般取为 ）锗管的导通电0.6v.80.7v 压约为 到 （一般取为 ） 。 0.1v.32 2.2 反向特性 反向电流指的是管子不穿击条件下的电流，数目越少的时二极管的通电功 4 能越好。 当二极管两端外加反向电压时， 结内电场进一步增强，使扩散更难进行。pn 这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流 。反ir 向电流很小，且几乎不随反向电压的增大而增大（在一定的范围内） ，如图 中所示。但反向电流是温度的函数，将随温度的变化而变化。常温下，z01 小功率硅管的反向电流在 数量级，锗管的反向电流在 数量级。maa 2.3 反向穿击特性 当反向电压增大到一定数值 时，反向电流剧增，这种现象称为二极管ubr 的击穿， （或用 表示）称为击穿电压， 视不同二极管而定，普通ubrvbr 二极管一般在几十伏以上且硅管较锗管为高。 击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端电压却变化很小， 这一特点成为制作稳压二极管的依据。 2.4 最大整流电流 最大整流电流是二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电 流。电接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下。面接触型二极管的最大 整流电流较大，当电流超过允许值时，将由于 结过热而使管子损坏。pn 3.线路分析和公式修正 对外接法内接法（见图 ，图 ）分析知，这两种解法对测量结果带来的误12 差，都是电表的接入误差，即电表内阻引入测量线路引起的误差。 在外接法测量中，真实测量的是二极管两端的电压，而安培计测出却是通 过二极管和伏特计两路电流之和，赤即由于伏特计的接入，产生了电流的测量 误差 ，从相对接入误差 可知,如伏特计内阻 ，则 远小于 ，vvi vxrvixi 相对接入误差很小，如不满足 ，测会造成很大的接入误差，接入误差xr 是一种系统误差，根据外接法测得电压值 ，电流值及电压表的内阻 。uvr 5 00 （图 1 外接法测量线路） （图 2 内接法测量线路） 可算出外接法中电流修正值（ ）1viu=r- xi 类似分析可知，在内接法中，若不满足 测会在电压值的测量中，产vxr 生较大的接入误差，由 可计算内接法中电压的修正值1a=ii 4.试验结果及讨论 表 ，表 分别是用外接法和内接法测量的 型二极管正向伏安特性及122p9 修正的数据，图 为相应的伏安特性曲线。其中电压表： 型，量程：3 c43 ，内阻： ;电流表： 型，量程： ，内阻： 5vvr=kmf00mavr=50 表 1 外接法实测数据及修正数据 次 数 电压 电流 电流修正值 电阻 (未修正 ) 电阻（已修正） 误差u(v)3i10)a-31iu=(0)ar-=(k)i1ur=()i 1 0.100 0.07 0.00 2.00 - 2 0.200 0.122 0.03 1.42 20 93 3 0.300 0.720 0.10 1.50 - 4 0.400 2.66 0.22 1.48 - 5 0.500 0.34 0.31 1.47 50 97 6 0.600 6.46 0.36 1.30 10 87 7 0.640 16.59 0.46 1.10 4.0 72 8 0.660 18.9 0.54 0.85 1.9 55 9 0.680 23.16 0.71 0.58 0.96 39 10 0.700 26.23 1.76 0.31 0.40 21 11 0.720 29.18 3.70 0.17 0.19 11 12 0.730 33.00 5.51 0.12 0.13 7.6 表 2 内接法实测数据及修正数据 次 数 电压 电流 电压修正值 电阻(未修 正) 电阻（已修 正） 误差 6 u(v)3i10)a1au=ir(v)u =(k)i1r()i 1 0.300 0.00 0.30 8.00 - 2 0.500 0.01 0.50 0.50 50.00 0.0 3 0.600 0.05 0.58 12.00 12.00 0.0 4 0.660 0.24 0.62 2.80 2.70 3.7 5 0.700 0.60 0.65 1.20 1.10 9.0 6 0.760 1.36 0.69 0.56 0.51 9.8 7 0.800 2.10 0.70 0.38 0.33 15.0 8 0.860 2.99 0.71 0.29 0.24 21.0 9 0.900 3.67 0.72 0.25 0.20 26.0 10 0.960 4.65 0.73 0.21 0.16 32.0 11 1.000 5.32 0.74 0.19 0.14 36.0 12 1.040 6.00 0.74 0.17 0.12 40.0 从表中数据可见，利用外接法侧二极管正向特性曲线时，随着加在二极 管 两端电压的增加， 其测量误差逐渐减 小，原因是外电场 能够克服二极管的 内电场，而用内接 法测量时，随着反 响电压的增加，测 量误差不断增大， 从图 -可以看出3 用外接法和(1) 内接法测得的数据 经修正后，所有曲 线平行。 法实测数据和修正后数据所作两条线可以看出，从 到 区间，(2) 0.v.65 修正后，两条曲线明显分开，当电压增加到 左右，才逐渐趋于平行，这是0.7 因为电压小于 时二极管尚处于未导通状态，其相应直流电阻值在接近无0.65v 穷达到数百欧姆范围内变化，不满足外接法条件 到；在正向电压加var 左右，二极管逐渐导通，其阻值降至数百欧姆之下，甚至接近或满足了外0.7 接法的条件。 法实测数据所作曲线与修正后的曲线看到从 左右的区间，(3) 065到 外接（修正） 内接 （修正） 外接法（未修正） 内接法（未修 正） 0.60.1.1 0.3 0.4 0.5 0.7 0.8 0.90.2 v 1 2 3 4 5 6 78 9 0.6 7 修正前后两条线平行。当电压增大到 左右时，二极管阻值变化范围满足内0.7v 接法的条件 ,而正向电压增至 时，二极管直流电阻阻值变化范围不xar 满足内接法的条件，所以两条曲线明显分开了。 8 结语 通过以上讨论可以看到，利用伏安法对二极管正向伏安特性曲线时，必须 选好连接方式，如果选不好连接方式，其引起的误差也相当大，所以必须选好 连接方式，然后对测量的数据进行详细的修正， ，要注意正确的选择对象为高电 阻或低电阻时的合适线路。若因需要不能任意选择线路，如二极管，由于其阻 值随加在它两端电压的变化而发生很大变化，对哪种测量线路都不甚满足，就 必须对测量结果加以修正，才能得到正确的结果。 9 参考文献 1 秦曾煌.电工学.（下，电子技术） m .北京:高等教育出版社，2008.2： 9-14. 2 攃东红，阿不拉江斯迪克.电子线路实验m.喀什：喀什师范