测定半导体二极管的伏安特性.doc

测定半导体二极管的伏安特性1 背景知识1.1 电子器件的伏安特性电子器件的伏安特性是指流过电子器件的电流随器件两端电压的变化特性,测定出电子器件的伏安特性，对其性能了解与其实际应用具有重要意义。在生产和科研中，可用晶体管特性图示仪自动测绘其曲线，在现代实验技术中，可用传感器及计算机进行测定给出测量结果。如果手头没有现成的自动测量仪器，提出应用电流表和电压表进行人工测量的方法，进行应急的测量是很有用的。1.2 半导体二极管半导体二极管是具有单向导电性的非线性电子元件，其电阻值与工作电流（或电压）有关。二极管的单向导电性就是PN结的单向导电性：PN结正向偏置时，结电阻很低，正向电流甚大（PN结处于导通状态）；PN结反向偏置时，结电阻很高，反向电流很小（PN结处于截止状态），这就是PN结的单向导电性。（ 正向偏置）； （反向偏置）。二极管的结构：半导体二极管是由一个PN结，加上接触电极、引线和管壳而构成。按内部结构的不同，半导体二极管有点接触和面接触型两类，通常由P区引出的电极称为阳极，N区引出的电极称为阴极。二极管的伏安特性及主要参数：二极管具有单向导电性，可用其伏安特性来描述。所谓伏安特性，就是指加到二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线，如下图所示。这个特性曲线可分为正向特性和反向特性两个部分。图1 二极管的伏安特性曲线（1）正向特性当二极管加上正向电压时，便有正向电流通过。但是，当正向电压很低时，外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力，故正向电流很小，二极管呈现很大的电阻。当正向电压超过一定数值（硅管约0.5V，锗管约0.2V）以后，内电场被大大削弱，二极管电阻变得很小，电流增长很快，这个电压往往称为阈电压UTH(又称死区电压：0-U0)。二极管正向导通时，硅管的压降一般为0.6-0.7V，锗管则为0.2-0.3V。导通以后，在二极管中无论流过多大的电流（当然是允许范围之内的电流），在极管的两端将始终是一个基本不变的电压，我们把这个电压称为二极管的“正向导通压降”。（2）反向特性二极管加上反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。反向电流有两个特性：一是它随随温度的增加而增长得很快，这是由于少数载流子的数量随随温度增加而按指数规律迅速增长的缘故；二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流不随反向电压改变而达到饱和，故这个电流IBO称为反向饱和电流。当加二极管的反向电压过高时，反向电流突然急剧增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为电击穿，这个电压URB称为反向击穿电压。发生击穿的原因是外加的强电场强制地把原子的外层价电子拉出来使载流子数目急剧上升。而处于强电场中的载流子又因获得很大的能量，而将其它价电子撞击出来，产生更多的载流子，如此连锁反应，使反向电流迅速增大，这种现象称为雪崩击穿。因此，当二极管的反向电压接近或超过击穿电压URB，又没有适当的限流措施时，将会因电流大，电压高而使管子造成永久性的损坏。（3）主要参数1、最大整流电流IOM最大整流电流是指二极管能够允许通过的最大正向平均电流值。当电流超过这个允许值时，二极管会因过热而烧坏，使用时务必注意。2、反向击穿电压URB与最高反向工作电压URMURB是指二极管反向击穿时的电压值。击穿后，其反向电流剧增，二极管的单向导性被破坏，甚至管子因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反向击穿电压URM约为反向击穿电压的一半或三分之二，经确保管子安全运行。3、最大反向电流IRM它是指在二极管上加最高反向工作电压时的反向电流值。IRM愈小，则管子的单向导电性能愈好。硅管的反向电流较小，常在1以下。锗管的反向电流较大，一般为硅管的几十倍到几百倍。2 主要实验器材直流稳压电源（0 30 V） 直流电压表各种规格的直流电流表变阻器【设计目的与要求】设计目的1、了解二极管的特性和参数；2、了解二极管的安全使用方法；3、学习利用伏安法测定二极管的特性及参数。设计要求1、设计测量电路分别设计出测定二极管正反向特性的测量电路。2、选择实验仪器包括确定电源电压的大小、电表量程、选择控制电路所用变阻器的规格等。3、设计主要实验步骤4、设计实验数据记录表格5、进行特性测量，确定二极管特性并提交实验报告测定半导体二极管伏安特性的实验方案【实验原理】1 电路连接方式要同时测量流过二极管的电流I和其两端的电压U，电路有两种连线方式，即电流表的内接和外接：当RX rA（电流表内阻）时，宜采用电流表内接如图2(b)；当RX rV（电压表内阻）时，宜采用电流表外接如图2(a)；当RX rA，RX rV时，两种接法均可以。无论采用哪种接法，由于电表本身存在内阻，会使得测量电流或电压值出现系统误差（即电表的接入误差），当正向导通时二极管的内阻很小，所以采用外接法；当测量反向特性时二极管的内阻很大，所以用内接法。二极管具有单向导电性，当正向电压较小时，二极管电阻较大，对硅管约为数百欧，此时正向电流很小，当电压超过一定数值（即导通电压，对硅管约为0.7V左右）后，二极管电阻变得很小，对硅管约为几十欧，此后随着电压的微小增加，正向电流将急剧增加，为了不损坏二极管，实验时，应注意其正向电流不能超过该二极管的额定正向电流Ima x。而测量反向特性时要注意工作电压应不超过最高反向工作电压URM。2 控制电路由于硅二极管正向电流变化范围很大， R阻值取值小些，作为细调用； R阻值取大些，作为粗调用。由于二极管正向导通时电阻很小，为了减少系统误差就用外接法，而加反向电压时，二极管相当于大电阻，所以用内接法。（a）外接法（b）内接法图2 二极管伏安特性曲线的测定3.电源、电压表量程及变阻器的选择（1）电源电压：稳压电源输出E3V（正向特性），反向特性电压可达几十伏，故应选择可调的稳压电源。（2）电表量程：电压表选用多量程的电压表，电流表选用毫安表和微安表.（3）变阻器：选R全阻值为500作为细调用，其额定电流为1A（应大于电路总电流值）。选R全阻值为1.83K作粗调用，其额定电流为0.35A（应大于0.1A）。【实验步骤】1、测定二极管正向伏安特性曲线（1）.用万用表0（100或1K档）判断二极管的正反向。（2）.按图2(a)连好电路，接通电源，给二极管加正向电压，选好毫安表和电压表量程，缓慢调节R及R，注意观察I、U变化情况，由此确定I、U的节范围和测量取点情况。（3）由I、U变化情况可知，在00.6V区间，电流变化缓慢，取点可稀疏些，每隔0.1V测一点；在0.6V以后，电流迅速变化，取点应密集一些，每隔0.02V测一点，直至电流不超过Ima x=100mA为止。（4）实验数据记录表格U（V）2 测定二极管的反向特性曲线（1）按图2(b)连好电路，接通电源，给二极管反向电压，选好微安表和电压表量程，缓慢调节R及R，注意观察I、U变化情况。（2）慢慢增加二极管两端的电压，使U从0开始，每隔1V读下微安表对应的读数I，直到U接近URM。（3）实验数据记录表格二极管伏安特性的测定张超（集美大学物理实验中心361021）摘要本文介绍利用电压表和电流表直接测定二极管正反向特性的方法，并给出2CP10型二极管的正反向伏安特性曲线及主要参数的测量结果。关键词二极管伏安特性伏安法1 引言半导体器件具有体积小，重量轻，寿命长，工作可靠性高等优点，半导体技术是信息时代的推动力并且已经成为高新技术的核心。测量晶体二极管的方法很多，比如可以用万用表来判断二极管的好坏。本实验是在实验室的条件下用伏安法测量二极管的特性。2 原理电路图（a）正向偏置(b)反向偏置二极管正向导通时可以流过较大的电流，因此要选用微安表，而反向偏置时要分两段考虑，首先是击穿前的变化趋势，在这一阶段电流随电压的变化很不明显而且是微安级的，然后被击穿，这时电流随电压的变化非常明显，只要电压稍微变化一点电流就急剧变化到微安级，所以在测反向特性时要根据情况改变电流表。【实验结果及分析】1、测定二极管正向伏安特性曲线表1 二极管正向伏安特性I(mA)U（V）I(mA)U(V) 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.620 0.640I(mA) 0.00 0.20 0.30 0.50 0.80 2.50 3.80 5.30U（V） 0.660 0.680 0.700 0.720 0.740 0.760 0.780I（mA） 7.80 11.80 15.00 24.00 36.50 58.00 96.302、测定二极管的反向特性曲线表2 二极管的反向特性二极管的伏安特性图3 分析3.1 正向特性曲线曲线OAB段是正向特性曲线，OA段的电压被称为死区电压，在这一范围内电流随电压的变化很小，属于高阻区，二极管还没有完全导通；AB段是二极管导通后的变化情况，一开始电流随电压的变化以较快的速度增加，但当到达B点以后虽然电压只有微小的变化，电流的变化却极快，反过来说不管电流怎样增加电压都基本不变，这就是所谓的“正向导通压降”。3.2 反向特性曲线曲线OCDE段是反向特性曲线，它表示二极管承受反向电压时的情形，在曲线OC段，随着加在二极管上的电反向电压的增加反向电流虽然变化很小几乎为零，但还是略有增加。CD段表示当反向电压继续增加时，反向电流几乎保持不变也就是电流达到饱和状态用IBO表示。当继续增加二极管的反向电压流经二极管的反向电流就大大增加了(DE段)，甚至增加到U（V） -1.00 -2.00 -3.00 -4.00 -5.00 -6.00 -7.00 -9.00 -11.00 -13.00I（mA） 0.0050 0.0065 0.0070 0.0075 0.0078 -0.0100 -0.0182 -0.304 -0.364 -0.684U（V） -17.00 -18.00 -19.00 -19.50 -20.00 -20.50 -20.80 -21.10 -21.40 -21.60I（mA） -0.684 -0.684 -2.154 -2.950 -5.000 -8.150 -12.34 -17.26 -23.