9.4探究二極管的伏安特性

9.4

探究二極管的伏安特性二極管及其伏安特性伏安法電路設計與誤差分析實驗器材選用實驗設計二極管及其伏安特性

二極管的P端接高電位，N端接低電位時，稱二極管正向偏置。

二極管的P端接低電位，N端接高電位時，稱二極管反向偏置。二極管及其伏安特性

當正向偏置電壓超過死區(qū)電壓（鍺管0.1~0.2V，硅管0.5V）時，二極管中產生從P端向N端流過PN結的電流，此時稱二極管正向導通。

當正向偏置電壓比較低時，二極管中的正向電流比較微弱，二極管處于正向死區(qū)。

二極管及其伏安特性

如果二極管兩端的反向電壓達到反向擊穿電壓，反向電流會急劇增大，此時稱二極管被擊穿。

當反向偏置電壓比較低時，二極管中只有從N端流向P端的極其微弱的可以忽略不計的反向電流，此時稱二極管反向截止。

伏安法電路設計與誤差分析

電流表外接法，簡稱外接法。

電流表測量的電流并不是流過待測元件的真實電流，而是待測電流與伏特表分流之和。

外接法只適用于伏特表的分流可忽略不計的場合，比如伏特表內阻很大且伏特表兩端電壓較低的場合。伏安法電路設計與誤差分析

電流表內接法，簡稱內接法。

電壓表測量的電壓并不是待測元件兩端的真實電壓，而是待測電壓與電流表兩端電壓之和。

內接法只適用于電流表的分壓可忽略不計的場合，比如電流表內阻很小且流過電流表電流較小的場合。實驗器材選用

測量二極管伏安特性，需要有電壓表、電流表、電源、導線、開關滑動變阻器等元件。

電源：為電路提供電壓，二極管反向擊穿的電壓在10V左右，所以此處應選擇最大輸出電壓為12V的直流穩(wěn)壓電源。實驗器材選用

滑動變阻器：用于調節(jié)輸出到二極管兩端的電壓。

電流表：用于測量電路中的電流。由于二極管正常工作時允許的通過的電流比較小，因此選擇量程為0.1A的毫安表，為了能準確讀出電流的變化，電流表的分度值(分辨率)選擇0.02mA。實驗器材選用

普通二極管反向擊穿會造成無法恢復的損壞，故本實驗選擇穩(wěn)壓二極管2CW56，該二極管的反向擊穿電壓大致在7V~8.8V。

電壓表：用于測量二極管兩端的電壓。由于二極管反向擊穿電壓大約在10V左右，故選擇量程為15V的電壓表，為了能準確讀出電壓的變化，電壓表的分度值(分辨率）選擇0.01V。實驗設計——實驗電路

由于二極管正向導通和反向擊穿時流過的電流比較大，電流表兩端的電壓無法忽略，為減小誤差，在測量二極管正反向特性時，電流表全部采用外接法。

以保護實驗器材作為首要考慮要素，防止二極管過壓、過流導致?lián)p壞。實驗設計——操作要點

（1）將滑動變阻器滑片P先調至輸出電壓最小的極限位置，再接通電源，避免二極管因過壓而損壞；

（2）緩慢移動滑動變阻器滑片P，觀察電流表示數(shù)，當電流表中電流增大到2mA時，變阻器滑片P到達最大輸出的極限位置，后續(xù)滑動變阻器滑片只能在兩個極限位置之間移動，從而避免二極管因過流而損壞。

測二極管正向伏安特性時，因二極管正向死區(qū)的電壓變化區(qū)間比較大，控制伏特表讀數(shù)相對容易些，故通過調整電壓值，讀取對應的電流值。

將滑動變阻器觸片從最大輸出極限位置緩慢向最小輸出極限位置滑動，電壓每降低0.01V，記錄電壓和對應的電流值，直到伏特表指示的測量電壓下降到0.55V時為止。實驗設計——操作要點

測二極管反向伏安特性時，因二極管反向擊穿時二極管兩端電壓幾乎不變，相對而言電流的變化區(qū)間較大，控制電流表讀數(shù)相對容易些，故通過調整電流值，讀取對應的電壓值。

將滑動變阻器觸頭從最大輸出極限位置緩慢向最小輸出極限滑動，電流每降低0.1mA，記錄電流和對應的電壓值，至少測出10組數(shù)據(jù)。實驗設計——操作要點

測量二極管正向特性時，伏特表兩端電壓不超過0.6V，伏特表的分流忽略不計，可近似認為電流表測出的電流等于通過二極管的電流；

測量二極管反向特性時，伏特表兩端電壓接近10V，要根據(jù)伏特表內阻估算出伏特表的分流，對測量的電流進行修正。實驗設計——數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)修整后，將二極管正向和反向偏置對應的電流、電壓填寫到對應的表格中，依據(jù)表格中的數(shù)據(jù)在圖中找點，連點成線，得到二極管正向伏安特性曲線和二極管反向伏安特性曲線。實驗設計——數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)修整后，將二極管正向和反向偏置對應的電流、電壓填寫到對應的表格中，依據(jù)表格中的數(shù)據(jù)在圖中找點，連點成線，得到二極管正向伏安特性曲線和二極管反向伏安特性曲線。實驗設計——數(shù)據(jù)處理

將二極管正向和反向偏置對應的電流、電壓關系描繪到一張圖上，得到二極管的正、反向伏安特性曲線。實驗設計——數(shù)據(jù)處理知識拓展：二極管正向導通電壓和反向擊穿電壓

二極管正向導通時，外加正向電壓主要用來克服二極管內部PN結對應的內電場對二極管中多數(shù)載流子運動的阻擋，使二極管內P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子能順利通過PN結，形成正向電流，因此正向偏置電壓只需高于內電場對應的電壓即可。知識拓展：二極管正向導通電壓和反向擊穿電壓

二極管外加反向電壓時，P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子在反向偏置電壓下定向移動形成反向電流，因為少數(shù)載流子數(shù)量極少，所以反向電流比較微弱。

當二極管的反向電壓增大到反向擊穿電壓時，半導體中原先被原子核束縛的電子在反向電壓形成的電場作用下，掙脫原子核束縛，成為了自由電子，同時在原先電子所在位置形成了空穴，這些新產生的自由電子和空穴參與導電，使得反向電流急劇增大。知識梳理：

二極管具有單向導電性，當外加正向電壓高于二極管的死區(qū)電壓時，二極管正向導通，導通后二極管兩端的正向電壓基本維持不變；當二極管外加反向電壓時，二極管中只有極其微弱的反向電流，當反向電壓達到二極管的反向擊穿電壓時，二極管中的反向電流急劇增大，二極管失去了單向導電性。課堂小結知識梳理：

穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū)，普通二極管必須限制反向電壓，防止因反向擊穿而損壞。課堂小結

無論二極管工作在正向導通區(qū)還是反向擊穿區(qū)，都必須嚴格限制通過二極管的電流，防止二極管過流、過熱導致?lián)p壞。知識梳理：

探究二極管伏安特性，用伏安法研究二極管兩端電壓與通過二極管電流之間的關系要嚴格限制二極管兩端電壓以及通過二極管的電流，選擇合適量程、分度值的電壓表和電流表，還要根據(jù)實際情況選擇合理的方法，盡可能減小測量誤差。課堂小結重點強調：

應合理制定實驗方案，確保在調