二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一电
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0.2左右，硅二极管为0.7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
2.1伏安法
IN4007
Re
电流表外接法：如图2.1.1所示（开关K打向2位置）⑴，此时电压表的读数等于二极管两端电压U D ;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 = |D +lv。
匸V/Rv+V/ R D(1.1)由欧姆定律可得:
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。
2.1.1
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 = U D + U A o
由欧姆定律可得：U =I ( R D+ R A)
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R D减小，电流表作用更大，相对误差增加；小量程电流表内阻R A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。
2.1.2
表2.1.3
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。
2.2补偿法
补偿法测量基本原理如图 2.2.1 所示[2]o
匸V/Rv+V/ R D (1.1)
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（
U BC = U BA ），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K i ;断开K o 、K 2；（ 3）调节C 点到选定电压 V ;（ 4）合上K 2、K o ;调节R ，使G 指示为0;（ 5）闭合再断开 K o 观察G 有无 变化，若有变化则进一步调节 R ，直到K 0
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。
电压 U/v
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.55
0.60
0.65
0.68
0.70
电流 1/mA
此次测量用作标纸绘图绘出伏安曲线 2.3等效法
等效法测量电路如图
2.3.1所示
［3］
。
Ko
(V)Rv
R D
」_IN4007
Ki
CH1
CH?
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R 0使无论K 2在位置还是2位置，电压表上度数不变，这时有:
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，R o 调到最大，合上 K i ； （ 2） K 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，K 2合到2位置，调节R o 使电压表数值为 V ，记录下 V ,1A 值；（4）重复2?3步，测出一组 V-I A 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）。
2.3.1
电压 U/v
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.55
0.60
0.65
0.68
0.7
电流 1/mA
1.4示波器法
示波器法测量电路如图
1.4.1所示。
R A
Ri
Rv
D IN4007
R D 匸
R D = R A + R o 故 I=Ia 。
E
Us
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CH1、CH 2的输入耦合打到GND,将CH 1、CH 2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CH i、CH 2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142。
I /mA
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，相对标准冋。
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2.5V，内阻20KW/V的电压表和量程为250mA，内阻400W的电流表测定阻值约为400W、4KW和40KW
的三只电阻，试确定其电表的连接方式，并画出电路图。