稳压二极管的非线性伏安特性研究

陈海波，胡素梅

（广东石油化工学院，广东 茂名 525000）

半导体PN结非线性伏安关系特性是半导体的主要特性，这种非线性元件伏安特性的测量也是大学物理实验中的一项非常重要的基础实验[1－3]。此二极管的主要特点是单向导电性，在正向电压和反向电压较小时，电流较小。当正向电压加大到某一数值时，正向电流明显增大，而当反向电压超过击穿电压时，电流急剧增大。本论文利用FD－UI－A非线性元件伏安特性实验仪研究了稳压二极管的正向和反向伏安特性，得到稳压二极管的正向电流与电压呈非线性，而正向电压与电流的对数呈良好的线性关系。稳压二极管的反向电压与电流的关系与正向相似。本论文的研究对理解非线性元件的导电机理有一定的帮助。

1 二极管的伏按特性实验

1.1 实验原理

半导体二极管是一种常用的非线性元件，由P型、N型半导体材料制成PN结，经欧姆接触引出电极，封装而成。二极管的主要特点是单向导电性，其非线性电阻值不仅与外加电压的大小有关，而且还与方向有关。二极管的正向导通电阻小，故实验中采用电流表外接法，实验中电路原理如图1（a）所示，相应地二极管的反向电阻较大，所以实验中采用电流表内接法，其实验电路原理如图1（b）所示。

图1 二极管伏安特性电路原理图

由半导体物理可知，PN结的正向电流—电压关系满足[4]：

其中：I0是不随电压变化的常数，T是热力学温度，e是电子的电量，Ud为PN结正向压降，k为玻尔兹曼常数，称为当量电压U，室温（300K）T下，UT＝26mV，当加在二极管两端的电压远远大于当量电压UT时，（1）式可简化为：

PN结的反向电流—电压关系在U＝UT时，其伏安特性为：

其中：Is为反向饱和电流。

实验中按图1的电路图连接好线路，选择不同的Ud值，记录相应的电流I值。根据实验数据，以Ud为横坐标，Is为纵坐标作图。

由（2）式所得，二极管的正向伏安特性图形为非线性的，为更好的进行数据处理，将（2）式和（3）式进行线性变化。

将（2）式和（3）式两边取对数，得到

以InI为纵坐标，Ud为横坐标，则InI与Ud呈线性关系。

1.2 实验结果与分析

图2为稳压二极管的正向和反向伏安特性曲线图。由图可见，稳压二极管的伏安特性都为非线性。正向时，当电压小于0.7V时，电压随电流增加较缓慢；当电压大于0.75V时，电压随电流增加而急速增加。反向时，当电压小于1.6V时，电压随电流增加较缓慢；而当电压大于1.70V时，电压随电流增加而迅速增加。说明此稳压二极管的开启电压为0.7V左右，而反向击穿电压为1.6V左右。图2表明，稳压二极管的正向和反向电压与电流都近似呈指数关系，此结果与半导体理论知识得到的（1）式和（2）式结果一致。

图2 压二极管的正向和反向伏安特性曲线图

将图2的电流绝对值取对数，并重新画图如图3的点线所示，利用软件进行线性拟合，拟合结果如图3的红线所示。由图3可见，稳压二极管的正向和反向都呈良好的线性关系。通过拟合发现，稳压二极管的正向的线性关系为：

相关系数R＝0.999 53。而稳压二极管的反向InI Ud的线性关系为：

相关系数R＝0.997 81。此结果与理论推导出的（4）式和（5）式的线性关系结果是吻合的，但其斜率与（4）式和（5）式不一致，原因是不同的二极管的材料，其导电性能不一样，而（4）式和（5）式正反应了稳压二极管的导电性能。故把（4）式和（5）式修正为：

其中α是与二极管的材料正向导电性能有关的系数，而β是与二极管的材料反向导电性能有关的系数。实验时，温度大约为300K，故比较（6）式与（8）式，可得α≈0.9左右，比较（7）式与（9）式，可得β≈0.09左右。所以正向实验结果与理论推导的公式能较好吻合，而反向实验结果与理论推导公式相差较大。

图3 稳压二极管的正向和反向InI-Ud曲线图

2 结 论

测量了非线性元件稳压二极管的正向和反向伏安特性，并对正向和反向伏安特性的电流绝对值对数与电压进行线性拟合。实验结果表明：稳压二极管的正向和反向伏安特性都呈现出非线性，

当电压较小时，电流随电压增加较缓慢；而当电压较大时，电流随电压增加而迅速增加。但稳压二极管的正向和反向都呈良好的线性关系，其斜率的大小反映了二极管材料的导电性质。

[1]岑敏锐.PN结伏安特性的实验研究[J].大学物理实验，2011，24（3）：26－28.

[2]连汉丽.二极管伏安特性曲线的理论分析[J].西安邮电学院学报，2008，13（5）：150－152.

[3]卢容德，杜勇.非线性电阻伏安特性的等效变换及应用[J].长江大学学报，2004，1（4）：1－3.

[4]冯颖，王连和.在验证PN结伏安特性实验中用Matlab软件求经验公式[J].大学物理实验，2000，18（3）：83－86.