多种方法研究二极管的伏安特性曲线

粟春渔 罗光丽 鲁晓娟 张宝丽

摘要：介紹了多种用于测量二极管伏安特性的方法，我们利用四种方法分别测量同一个二极管的电流电压值，并得出实验数据。用实验数据画出对应各个方法测得的二极管的伏安特性曲线，最后通过对四种方法测得的伏安特性曲线图做出相应的分析给出测量最为精准的方法。

关键词：二极管；伏安特性曲线；伏安法；等效法对各种元器件的伏安特性进行测量时，我们常用的是伏安法。二极管伏安特性的测量是大学基础物理实验之一，因此大学物理实验要求每一个物理、电子类的学生必须熟练掌握各种精确测量二极管伏安特性的方法。我们知道，二极管是非线性元件，即当加在二极管两端的电压增加到某一值后，如果继续增大电压，那么二极管的电阻就会从无穷大变到几十欧姆或甚至更小。当对这种伏安特性变化范围极大的元器件进行测量时，我们应该选择种哪方法测量才能较为精准的测出其伏安特性呢？本文给出了常见的四种测量二极管伏安特性的方法，并利用这四种方法测出了同一个二极管的伏安特性曲线，帮助读者理解二极管正向导通伏安特性变化情况。

1常见的四种测量二极管的伏安特性曲线的方法

1.1 伏安法的内接法[1]和外接法[2]

利用伏安法的电流表内接法和电流表外接法对二极管的伏安特性进行测量时，我们分别对这两种方法的实验电路图分析可知，当利用这两种实验电路对二极管的电流电压进行测量时都会存在误差，误差主要来源是由于电表内阻的接入而引起的。在实验中，通过对外接法实验电路图的分析还可以知道，当电流表电压表的测量值分别为I,U时，由于电压表内阻的分流作用，使得实际流经二极管RD的电流I'要小于I，且存在以下关系：

⑴式中的RV表示电压表的内阻。

同样对内接法实验电路分析可知，当电流电压表的测量示数分别为I,U时，由于电流表内阻的分压作用使得二极管两边的实际电压U'＜U，且存在如下关系：

⑵式中的RV表示电流表的内阻。

1.2 补偿法和等效法

通过对补偿法测二极管伏安特性实验电路[4]分析可知，补偿法的理论误差为零，误差的大小主要取决于检流计的灵敏度和电表的精度，与伏安法中的内、外接法相比，当利用补偿法对二极管的电流电压进行测量时，实验结果较为精准。在大学中由于在补偿法中引入电桥，这就使得其测量误差几乎为零。

除了以上谈到的三种测量二极管伏安特性的方法之外，通常我们还采用的一种方法是等效法，等效法的方法是在测量二极管的伏安特性时利用一个可变电阻Ro来替代二极管RD，达到一个等效替换的效果。等效法实验电路图与补偿法实验电路图相比，特别是与电路图中引入了电桥[3]的补偿法实验电路图相比，其电路图的连接更为简单，操作也更为简便。由等效法实验电路[5]连接方式可以知道：若电流表示数为I，则流经二极管的电流为ID，RO、RD存在如下关系：

故可有

2四种方法测量二极管电流电压的结果

2.1 分别用四种方法来对二极管的的电流电压做了相应的测量得到表一中的数据

由表一我们可以清楚的看到当二极管两端电压在低于 0.13mV的范围内，对应相同的电压值，电流表外接法所测得的电流都比其他三种的要大，与电流表外接法相反的是，在电压变化范围小于0.13mV的范围内，电流表内接法所测得的对应电流均小于其他三种方法的测量结果。但是在电压变化大于0.13mV后，四种方法测得的结果几乎相同。

2.2 利用表一中四种方法测得的实验数据绘出了下图一中U-I关系图

由图一我们可以清晰的看到，外接法在整个测量过程中，测量结果相对其他三种来说，数据呈偏大趋势，内接法和补偿法测得的伏安特性曲线较为接近，通过对四条伏安特性曲线进行分析可以看到，随着测量电压增大到某一后，该四种方法测得的曲线几乎相吻合在一起。

3分析与总结

通过比较分析表一和图一中的数据和图象，我们可以清楚的看到外接法的实验数据与其他三种方法的所测的的数据相差较大，在加压的整个区域，相同电压下，流经外接法的电流都比其他三种的偏大，而内接法测得的电流与另外三种测量结果相比整个变化过程的电流相对较小。但是从实验数据和图像我们还可以观察到一个重要现象，即无论是利用哪一种方法对二极管进行测量，当电压增加到某一个值后它们的伏安特性曲线几乎都能重合，并以相同的变化率变化。因此当在所有曲线保持相同变化率的这段曲线上任取一点做切线与横坐标的交点对应的电压我们称为该二极管的阈值电压[6]，它与二极管的材料有关。

综合分析以上四种测量方法，我们认为由于在采用外接法测量得出的实验数据或伏安特性曲线变化较大，等效法、电流表内接法和补偿法测量得的实验数据或伏安特性曲线波动较小，并且相对吻合，因此在对二极管的伏安特性曲线进行测量时，当选择电流表内接法或补偿法测量后得的结果较为理想。

[参考文献]

[1]王新生.用伏安法测绘二极管伏安特性的研究[J].大学物理实验，2000，13(3):41-43.

[2]王会春,等．介绍测二极管伏安特性的几种方法[J].辽宁师专学报，2006，16(9):8-9．

[3]宏基.惠斯通电桥法与伏安法测电阻的比较[J].辽宁师专学报，2012,14(4):9-10.

[4]董传华．大学物理实验(第2版)[M]．上海：上海大学出版社，2003：328 -330．

[5]卫德常,令孤荣峰．用伏安法测电阻实验中电路的选择[J].物理实验，1997(3)：130.

[6]陈莹梅,刘平安,陆申龙.发光二极管基本物理特性测量及研究[J].大学物理，2007，2（8）：49-52