陳海波，胡素梅

（廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000）

半導(dǎo)體PN結(jié)非線性伏安關(guān)系特性是半導(dǎo)體的主要特性，這種非線性元件伏安特性的測量也是大學物理實驗中的一項非常重要的基礎(chǔ)實驗[1－3]。此二極管的主要特點是單向?qū)щ娦?，在正向電壓和反向電壓較小時，電流較小。當正向電壓加大到某一數(shù)值時，正向電流明顯增大，而當反向電壓超過擊穿電壓時，電流急劇增大。本論文利用FD－UI－A非線性元件伏安特性實驗儀研究了穩(wěn)壓二極管的正向和反向伏安特性，得到穩(wěn)壓二極管的正向電流與電壓呈非線性，而正向電壓與電流的對數(shù)呈良好的線性關(guān)系。穩(wěn)壓二極管的反向電壓與電流的關(guān)系與正向相似。本論文的研究對理解非線性元件的導(dǎo)電機理有一定的幫助。

1 二極管的伏按特性實驗

1.1 實驗原理

半導(dǎo)體二極管是一種常用的非線性元件，由P型、N型半導(dǎo)體材料制成PN結(jié)，經(jīng)歐姆接觸引出電極，封裝而成。二極管的主要特點是單向?qū)щ娦?，其非線性電阻值不僅與外加電壓的大小有關(guān)，而且還與方向有關(guān)。二極管的正向?qū)娮栊?，故實驗中采用電流表外接法，實驗中電路原理如圖1（a）所示，相應(yīng)地二極管的反向電阻較大，所以實驗中采用電流表內(nèi)接法，其實驗電路原理如圖1（b）所示。

圖1 二極管伏安特性電路原理圖

由半導(dǎo)體物理可知，PN結(jié)的正向電流—電壓關(guān)系滿足[4]：

其中：I0是不隨電壓變化的常數(shù)，T是熱力學溫度，e是電子的電量，Ud為PN結(jié)正向壓降，k為玻爾茲曼常數(shù)，稱為當量電壓U，室溫（300K）T下，UT＝26mV，當加在二極管兩端的電壓遠遠大于當量電壓UT時，（1）式可簡化為：

PN結(jié)的反向電流—電壓關(guān)系在U＝UT時，其伏安特性為：

其中：Is為反向飽和電流。

實驗中按圖1的電路圖連接好線路，選擇不同的Ud值，記錄相應(yīng)的電流I值。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，以Ud為橫坐標，Is為縱坐標作圖。

由（2）式所得，二極管的正向伏安特性圖形為非線性的，為更好的進行數(shù)據(jù)處理，將（2）式和（3）式進行線性變化。

將（2）式和（3）式兩邊取對數(shù)，得到

以InI為縱坐標，Ud為橫坐標，則InI與Ud呈線性關(guān)系。

1.2 實驗結(jié)果與分析

圖2為穩(wěn)壓二極管的正向和反向伏安特性曲線圖。由圖可見，穩(wěn)壓二極管的伏安特性都為非線性。正向時，當電壓小于0.7V時，電壓隨電流增加較緩慢；當電壓大于0.75V時，電壓隨電流增加而急速增加。反向時，當電壓小于1.6V時，電壓隨電流增加較緩慢；而當電壓大于1.70V時，電壓隨電流增加而迅速增加。說明此穩(wěn)壓二極管的開啟電壓為0.7V左右，而反向擊穿電壓為1.6V左右。圖2表明，穩(wěn)壓二極管的正向和反向電壓與電流都近似呈指數(shù)關(guān)系，此結(jié)果與半導(dǎo)體理論知識得到的（1）式和（2）式結(jié)果一致。

圖2 壓二極管的正向和反向伏安特性曲線圖

將圖2的電流絕對值取對數(shù)，并重新畫圖如圖3的點線所示，利用軟件進行線性擬合，擬合結(jié)果如圖3的紅線所示。由圖3可見，穩(wěn)壓二極管的正向和反向都呈良好的線性關(guān)系。通過擬合發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)壓二極管的正向的線性關(guān)系為：

相關(guān)系數(shù)R＝0.999 53。而穩(wěn)壓二極管的反向InI Ud的線性關(guān)系為：

相關(guān)系數(shù)R＝0.997 81。此結(jié)果與理論推導(dǎo)出的（4）式和（5）式的線性關(guān)系結(jié)果是吻合的，但其斜率與（4）式和（5）式不一致，原因是不同的二極管的材料，其導(dǎo)電性能不一樣，而（4）式和（5）式正反應(yīng)了穩(wěn)壓二極管的導(dǎo)電性能。故把（4）式和（5）式修正為：

其中α是與二極管的材料正向?qū)щ娦阅苡嘘P(guān)的系數(shù)，而β是與二極管的材料反向?qū)щ娦阅苡嘘P(guān)的系數(shù)。實驗時，溫度大約為300K，故比較（6）式與（8）式，可得α≈0.9左右，比較（7）式與（9）式，可得β≈0.09左右。所以正向?qū)嶒灲Y(jié)果與理論推導(dǎo)的公式能較好吻合，而反向?qū)嶒灲Y(jié)果與理論推導(dǎo)公式相差較大。

圖3 穩(wěn)壓二極管的正向和反向InI-Ud曲線圖

2 結(jié) 論

測量了非線性元件穩(wěn)壓二極管的正向和反向伏安特性，并對正向和反向伏安特性的電流絕對值對數(shù)與電壓進行線性擬合。實驗結(jié)果表明：穩(wěn)壓二極管的正向和反向伏安特性都呈現(xiàn)出非線性，

當電壓較小時，電流隨電壓增加較緩慢；而當電壓較大時，電流隨電壓增加而迅速增加。但穩(wěn)壓二極管的正向和反向都呈良好的線性關(guān)系，其斜率的大小反映了二極管材料的導(dǎo)電性質(zhì)。

[1]岑敏銳.PN結(jié)伏安特性的實驗研究[J].大學物理實驗，2011，24（3）：26－28.

[2]連漢麗.二極管伏安特性曲線的理論分析[J].西安郵電學院學報，2008，13（5）：150－152.

[3]盧容德，杜勇.非線性電阻伏安特性的等效變換及應(yīng)用[J].長江大學學報，2004，1（4）：1－3.

[4]馮穎，王連和.在驗證PN結(jié)伏安特性實驗中用Matlab軟件求經(jīng)驗公式[J].大學物理實驗，2000，18（3）：83－86.