极管伏安特性曲线测量方法

二极管伏安特性曲线测量方法

电路中有各种电学元件，如碳膜电阻、线绕电阻、晶体二极管和三极管、光敏和热敏元件等。人们常需要了解它们的伏安特性，以便正确的选用它们。通常以电压为横坐标，电流为纵坐标作出元件的电压—电流关系曲线，叫做该元件的伏安特性曲线。如果元件的伏安特性曲线是一条直线，说明通过元件的电流与元件两端的电压成正比，则称该元件为线性元件（例如碳膜电阻）；如果元件的伏安特性曲线不是直线，则称其为非线性元件（例如晶体二极管、三极管）。本实验通过测量二极管的伏安特性曲线，了解二极管的单向导电性的实质。

1、实验原理

晶体二极管是常见的非线性元件，其伏安特性曲线如图1所示。

当对晶体二极管加上正向偏置电压，则有正向电流流过二极管，且随正向偏置电压的增大而增大。开始电流随电压变化较慢，而当正向偏压增到接近二极管的导通电压（锗二极管为左右，硅二极管为左右时），电流明显变化。在导通后，电压变化少许，电流就会急剧变化。

当加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，但不是完全没有电流，而是有很小的反向电流。该反向电流随反向偏置电压增加得很慢，但当反向偏置电压增至该二极管的击穿电压时，电流剧增，二极管PN结被反向击穿。

2、实验方法

伏安法

图2.1.1 伏安法测二极管伏安特性曲线电路图

电流表外接法：如图2.1.1所示（开关K打向2位置）[1]，此时电压表的读数等于二极管两端电压；电流表的读数I是流过二极管和电压表的电流之和（比实际值大），即I =+Iv。

由欧姆定律可得：

I=V/Rv+V/

用V、I所作伏安特性曲线电流是电压表和二极管的电流之和，显然不是二极管的伏安特性曲线，所用此方法测量存在理论误差。在测量低电压时，二极管内阻较大，误差较大，随着测量点电压升高，二极管内阻变小，误差也相对减小；在测量二极管正向伏安曲线时，由于二极管正向内阻相对较小，用此方法误差相对较小。

表2.1.1 电流表外接法测二极管正向伏安特性曲线测量数据

此次测量用作标纸绘图绘出伏安曲线

电流表内接法：如图2.1.1所示（开关K打向1位置），这时电流表的读数I为通过二极管D的电流，电压表读数是电流表和二极管电压之和，U =+。

由欧姆定律可得：U =I（+）

此方法作曲线所用电压值是二极管和电流表电压之和，存在理论误差，在测量过程中随着电压U提高，二极管的等效内阻减小，电流表作用更大，相对误差增加；小量程电流表内阻较大，引起误差较大。但此方法在测量二极管反向伏安特性曲线时，由于二极管反向内阻特别大，故误差较小。

表2.1.2 电流表内接法测量二极管正向伏安特性曲线测量数据

此次测量用作标纸绘图绘出伏安曲线

表2.1.3 电流表内接法测量二极管反向伏安特性曲线数据

此次测量在上图作标纸中绘出伏安曲线

采用伏安法测量时由于电压或电流总有其一不能准确测得，结果总存在理论误差，测量结果较粗略，但此方法电路简单，操作方便。

补偿法

补偿法测量基本原理如图2.2.1所示[2]。

图2.2.1 补偿法测二极管伏安特性曲线电路图

工作原理：当两直流电源的同极端相连接，而且其电动势大小恰好相等时（=），回路中无电流通过检流计G，其指示为0，此时电流表A的读数是通过二极管的电流，电压表的读数是二极管两端的电压，这样在表上读取的电压和电流的数值，作V-I曲线就不存在理论误差。

测量步骤：（1）调C点到最左端，调R到最大；（2）合上；断开、2；（3）调节C点到选定电压V；（4）合上K2、；调节R，使G指示为0；（5）闭合再断开观察G有无变化，若有变化则进一步调节R，直到断开、闭合G无变化为止，记录V和A的读数；（6）重复2～5步骤，测量出一组V-I值，作V-I曲线。

补偿法在测量中理论误差为零，实验中误差主要来源于仪器的精确度及测量中的随机误差和视力引起的误差还有过失误差等。此方法测量精确度较高，但电路较为复杂，操作比较麻烦。

表2.2.1 补偿法测量二极管正向伏安特性曲线数据

此次测量用作标纸绘图绘出伏安曲线

等效法

等效法测量电路如图2.3.1所示[3]。

图2.3.1 等效法测二极管伏安特性曲线电路图

测量原理：保持P点不变，调节使无论在位置还是2位置，电压表上度数不变，这时有：=+ 故I=Ia。

此方法避免了测量二极管支路电流时由于接入电表引起的理论误差。

测量步骤：（1）P点调节到最下端，R0调到最大，合上；（2）合到位置1，调节P点使V达到测量电压值；（3）保持P点不动，合到2位置，调节 使电压表数值为V，记录下V，IA值；（4）重复2～3步，测出一组V-IA值，作V-I曲线[4]。

此方法没有理论误差，线路较简单，相对易操作，测量精确度较高（与补偿法相当）。

表2.3.1 利用等效法测量二极管伏安曲线数据

此次测量用作标纸绘图绘出伏安曲线

示波器法

示波器法测量电路如图1.4.1所示。

图2.4.1 示波器法测二极管伏安特性曲线电路图

测量步骤:

利用示波器的双踪显示,将、的输入耦合打到GND,将、的扫描基线调出来,且都与正中水平标尺重合,将旋纽旋到X-Y处,进入“X-Y”工作方式,使扫描基线变为一点,调节水平移动旋纽,使这点与标尺坐标原点重合,然后将、的输入耦合打开[5]。

打开交流函数信号发生器,使用正泫波或方波，将输入电压适当调大，再把函数频率适应调大些，即可观察到示屏上出现一条曲线，此曲线即是二极管的伏安特性曲线，如图1.4.2。

图2.4.2 示波器法所测二极管伏安特性曲线

2 比较分析

从测量方法方面比较：利用伏安法测量电路最简单，操作方便，但结果误差比较大;利用补偿法和等效法测量结果精确度较高，但电路相对复杂，二者相比使用等效法稍易操作；示波器法在测量时非常直观，适合用于演示教学。在普通测量时要求精度高推荐使用补偿法和等效法；在观察曲线时推荐利用示波器法。

3 结论

利用伏安法的电流表外接法测量曲线观察不出导通电压的存在，这是电压表上电流所引起的，电流值都偏大，曲线偏上；电流表内接法曲线观察得二极管导通电压最大，这是二极管导通电压和电流表上所分电压叠加所致；利用补偿法和等效法测量所得曲线基本相同，并且在没有理论误差情况下测得，相对标准[6]。

思考题

1. 伏安特性曲线的斜率的物理意义是什么

2. 用伏安法测二极管特性曲线产生的误差属什么性质的误差为何会产生这种误差能否消除或作修正方法如何

3. 在测定二极管反向特性时，有同学发现所加电压还不到1伏，微安表指示已超量程。你认为原因是什么

4. 若要用量程为，内阻20K/V的电压表和量程为250mA，内阻400的电流表测定阻值约为400、4K和40K的三只电阻，试确定其电表的连接方式，并画出电路图。

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