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测定半导体二极管的伏安特性1 背景知识1.1 电子器件的伏安特性电子器件的伏安特性是指流过电子器件的电流随器件两端电压的变化特性,测定出电子器件的伏安特性，对其性能了解与其实际应用具有重要意义。
在生产和科研中，可用晶体管特性图示仪自动测绘其曲线，在现代实验技术中，可用传感器及计算机进行测定给出测量结果。
如果手头没有现成的自动测量仪器，提出应用电流表和电压表进行人工测量的方法，进行应急的测量是很有用的。
1.2 半导体二极管半导体二极管是具有单向导电性的非线性电子元件，其电阻值与工作电流（或电压）有关。
二极管的单向导电性就是PN结的单向导电性：PN结正向偏置时，结电阻很低，正向电流甚大（PN结处于导通状态）；PN结反向偏置时，结电阻很高，反向电流很小（PN结处于截止状态），这就是PN结的单向导电性。
（正向偏置）；（反向偏置）。
二极管的结构：半导体二极管是由一个PN结，加上接触电极、引线和管壳而构成。
按内部结构的不同，半导体二极管有点接触和面接触型两类，通常由P区引出的电极称为阳极，N区引出的电极称为阴极。
二极管的伏安特性及主要参数：二极管具有单向导电性，可用其伏安特性来描述。
所谓伏安特性，就是指加到二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线，如下图所示。
这个特性曲线可分为正向特性和反向特性两个部分。
图1 二极管的伏安特性曲线（1）正向特性当二极管加上正向电压时，便有正向电流通过。
但是，当正向电压很低时，外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力，故正向电流很小，二极管呈现很大的电阻。
当正向电压超过一定数值（硅管约0.5V，锗管约0.2V）以后，内电场被大大削弱，二极管电阻变得很小，电流增长很快，这个电压往往称为阈电压UTH(又称死区电压：0-U0)。
二极管正向导通时，硅管的压降一般为0.6-0.7V，锗管则为0.2-0.3V。
导通以后，在二极管中无论流过多大的电流（当然是允许范围之内的电流），在极管的两端将始终是一个基本不变的电压，我们把这个电压称为二极管的“正向导通压降”。
实验2-3 光电二极管伏安特性测试实验目的1、加深对光电二极管的工作原理的理解；2、进一步熟悉光电二极管的基本应用；3、理解光电二极管的伏安特性并掌握其测试方法。
实验内容在光照度下一定的情况下，光电二极管的伏安特性测试。
实验仪器1、光电探测原理实验箱 1台2、连接导线若干实验原理光电二极管的基本特性： 光电二极管的输出光电流与偏压的关系称为伏安特性，如图2-3.1。
实验步骤实验装置原理框图如图3-3.2所示。
1、负载RL选择RL1=2.4K。
将“光电二极管偏置电压输入＋”端与电流表“＋”端用导线连接，电流表“－”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电二极管偏置电压输入－”端相连，此时光电二极管偏压为零。
2、电流表档位调节至20μA档，“光照度调节“旋钮逆时针调节至最小值位置。
打开电源开关，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为50Lx，记下此时电流表读数，填入表3.1。
关闭电源，拆掉电流表“－”端与RL1之间的连线。
3、电压表调到20V档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。
将“直流电源0-12V”端与RL1连接，将“直流电源另一端（接地端）与电流表“－”端连接。
再将电压表“＋”端与“直流电源0-12V”端相连，“直流电源”接地端与电压表“－”端相连。
4、打开电源开关，调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为2.00V为止，记下光电二极管所加反向偏压为2V时电流表的读数，填入表3.1。
5、重复步骤4，分别记下反向偏压为4V、6V、8V和10V时的电流表读数，填入表2.3.1。
关闭电源。
6、作出50Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线。
7、重复上述步骤。
分别测量光电二极管在100Lx、200Lx和300Lx照度下，不同偏压下的光生电流值，并分别作出伏安特性曲线。
比较四条伏安特性特性曲线有什么不同。
8、实验完毕，拆除所有连线。
将“幅度调节”和“光照度调节”旋钮都逆时针旋到底。
实验数据：（在实验报告后面）数据处理：作出50Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线：作出100Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线：作出200Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线：心得体会：通过该实验加深了对光电二极管的工作原理的理解；进一步熟悉光电二极管的基本应用；理解了光电二极管的伏安特性并掌握其测试方法。
物理实验讲义实验半导体二极管伏安特性的研究实验目的：1.了解半导体二极管的结构和原理；2.研究半导体二极管的伏安特性。
实验器材：1.半导体二极管2.直流电源3.万用表4.电阻箱5.连线电缆6.示波器实验原理：半导体二极管是一种特殊的二极管，其结构由P型半导体和N型半导体组成。
在P型半导体的一侧注入少量杂质，形成少数载流子浓度高的区域，称为PN结。
PN结的一个端口称为阳极，另一个端口称为阴极。
在正向偏置情况下，电流可从P端流向N端，此时二极管呈现低阻态，称为正向导通。
而在反向偏置情况下，电流几乎无法通过二极管，此时二极管呈现高阻态，称为反向截止。
伏安特性是研究电流和电压之间关系的曲线。
通过研究半导体二极管的伏安特性，可以了解其正向导通和反向截止特性，以及其在电子电路中的应用。
实验步骤：1.将半导体二极管连接在电路板上。
2.将直流电源正极连接至二极管的阳极，负极连接至二极管的阴极。
3.用万用表测量二极管的两端电压，记录下实验数据。
4.调节直流电源的电压，逐渐增大，记录下不同电压下的电流值。
5.将直流电源正极连接至二极管的阴极，负极连接至二极管的阳极。
6.重复步骤3-5，记录下反向偏置下的电流和电压数据。
7.根据所得数据，绘制半导体二极管的伏安特性曲线。
实验注意事项：1.操作过程中要遵守安全操作规程，确保实验安全进行。
2.实验过程中应注意测量仪器的精度和准确性，保持测量值的可靠性。
3.实验结束后，关闭所有电源并清理实验现场。
实验结果分析：根据所得数据绘制的伏安特性曲线，可以得出以下结论：1.在正向偏置区域，随着电压的增加，电流逐渐增大，二极管呈现低阻态，即正向导通。
2.在反向偏置区域，随着电压的增加，电流基本保持在很小的范围内，二极管呈现高阻态，即反向截止。
实验拓展：1.研究不同类型（如硅、锗）的半导体二极管的伏安特性，并比较它们之间的差异。
2.分析伏安特性曲线并计算二极管的串联电阻、导通电压等参数。
实验3 半导体二极管伏安特性的研究半导体二极管是一种简单的电子元件，广泛应用于各种电子设备中。
它具有可控阻抗、低失调及低噪声的特点，是电路的重要组成部分。
另外，它的特性还可以通过伏安特性来表示。
实验3是半导体二极管伏安特性的研究。
实验3采用典型的水平式直流工作，使用电子学专用台架安装正向和反向稳压电源，并将正向和反向电流传感器安装在直流电源和二极管之间，通过电子学仪表连接相应仪器来测量正向电流和反向电流。
将二极管安装在台座上，一般被称作二极管座，用带有绝缘手柄的螺钉接触给二极管上桥，使用双表头电源的稳定直流电压依次给二极管配电，然后根据实验计算出正向电流和反向电流，从而绘制出伏安曲线。
实验中，以正向和反向稳压电源调节器中输出的电压为横坐标，以电流传感器测得的正向电流和反向电流值分别为纵坐标，绘制出的一张曲线就是二极管的伏安曲线，其解释伏安曲线的特点，如截距、正向电流、反向电流，有助于理解半导体二极管的工作原理。
根据实验3的结果，正向电流随着正向和反向稳压电源的调节而变化，而反向电流亦然。
当正向电压恒定为固定值时，正向电流呈现单调递增趋势。
而当反向电压恒定时，反向电流呈现一个凹槽状的特性，在此凹槽上正向电流保持恒定，即转折点，这是二极管的特性之一。
而实验中，用制表法表示时，转折点的值为正向电压和反向电流之和，即转折电压。
本实验可以测试出二极管的特性，由此可以得出该二极管的伏安曲线，从而分析和推断其工作原理。
研究半导体二极管伏安特性，不仅解释二极管的工作原理，而且可以用来设计和分析有关半导体电路中的工作逻辑等，具有重要意义。
半导体二极管的伏安特性及温度特性测绘【实验目的】1、学习伏安法测量电阻的正确接线方法；2、掌握测量半导体二极管的正、反特性电表内接与外接的方法和意义；3、通过作P-N 结的伏安特性曲线，学会正确的作图方法，特别是坐标轴比例的正确选取。
【实验原理】半导体二极管的伏安特性：对于某种电子元件，在温度不变的情况下，若改变其加在两端的电压值U 大小，电流值I 也会随之而变化。
以电压U为横坐标，电流I 为纵坐标，可得到一条曲线，此即这种电子元件的“伏安特性曲线”。
对于通常的金属导体而言，伏安特性曲线是一条直线，这一类元件我们称之为“线性元件”。
还有就是像我们实验中用到的半导体二极管一样，其伏安特性曲线不是直线，我们称之为“非线性元件”，也就是说，它们的电阻不是一个确定值，其数值与所加电压有关系。
如右图是一个普通硅二极管的伏安特性曲线：而本实验也将利用伏安法来测绘一个二极管的正、反向特性曲线。
半导体二极管的温度特性：对于通常的金属导体温度特性，其关系符合以下式子：()⋅⋅⋅++++=3201t t t R R t γβα （1）式中t R 对应温度t 时候的电阻，在低温区域，二次项及以上项很小，可以忽略不计，因此可近似的认为电阻和温度之间是一种线性关系。
半导体材料则不同，它们具有比较复杂的电阻温度关系，其原因是因为它的导电机制较为复杂。
一般而言，在高温区域，半导体具有负的电阻温度系数，此时的特性可用指数函数来描述：T B A R t exp = （2）但在一段温度区域，可近似认为电阻和温度之间符合线性关系，大部分半导体其电阻温度系数为负值。
本实验拟采用惠斯通直流单电桥法来测定不同温度下的二极管阻值，并绘制其电阻-温度特性曲线。
210R R R R x = （3）【实验仪器】磁电式电压表、数字式电压表、毫安表、微安表、电阻箱、滑线变阻器、直流稳压电源、待测二极管【实验内容】1、测绘二极管正向特性：电源E=3V,注意管子的额定正向电流，记录指针式电压表所用挡的内阻：)/500(1500V R inside ΩΩ=并分别利用磁电式电压表和数字式电压表各测一次，需要绘制出三条曲线：分别是磁电式仪表、数字式仪表和用磁电式仪表的电压表修正数据绘制的三条曲线。
半导体二极管伏安特性的研究P101【实验原理】1.电学元件的伏安特性在某一电学元件两端加上直流电压，在元件内就会有电流通过，通过元件的电流与其两端电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。
一般以电压为横坐标，电流为纵坐标作出元件的电压-电流关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。
对于碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等电学元件，在通常情况下，通过元件的电流与加在元件两端的电压成正比，即其伏安特性曲线为一通过原点的直线，这类元件称为线性元件，如图3-1的直线a。
至于半导体二极管、稳压管、三极管、光敏电阻、热敏电阻等元件，通过元件的电流与加在元件两端的电压不成线性关系变化，其伏安特性为一曲线，这类元件称为非线性元件，如图3-1的曲线b、c。
伏安法的主要用途是测量研究非线性元件的特性。
一些传感器的伏安特性随着某一物理量的变化呈现规律性变化，如温敏二极管、磁敏二极管等。
因此分析了解传感器特性时，常需要测量其伏安特性。
图 3–1 电学元件的伏安特性在设计测量电学元件伏安特性的线路时，必须了解待测元件的规格，使加在它上面的电压和通过的电流均不超过元件允许的额定值。
此外，还必须了解测量时所需其他仪器的规格（如电源、电压表、电流表、滑线变阻器、电位器等的规格），也不得超过仪器的量程或使用范围。
同时还要考虑，根据这些条件所设计的线路，应尽可能将测量误差减到最小。
测量伏安特性时，电表连接方法有两种：电流表外接和电流表内接，如图3-2所示。
（a）电流表内接；（b）电流表外接图 3–2 电流表的接法电压表和电流表都有一定的内阻（分别设为R v和R A）。
简化处理时可直接用电压表读数U 除以电流表读数I 来得到被测电阻值R ，即R=U/I ，但这样会引进一定的系统性误差。
使用电流表内接时，R 实测值偏大；使用电流表外接时，R 实测值偏小。
通常根据待测元件阻值及电表内阻，选择合适的电表连接方法以减小接入误差的影响：测量小电阻时常采用电流表外接；测量大电阻时常采用电流表内接。
【精品】测量二极管的伏安特性测量二极管的伏安特性是一种实验，用于研究二极管在电压变化时的电流行为。
通过这种方式，我们可以了解二极管的基本性质和行为。
本实验主要采用控制变量法，即在保证其他因素不变的情况下，改变输入电压，观察输出电流的变化。
一、实验目的：1.理解二极管的单向导电性；2.了解二极管的伏安特性曲线；3.掌握二极管的基本应用。
二、实验原理：二极管是一种具有单向导电性的半导体器件。
在正向偏置时，电流可以流过二极管；而在反向偏置时，电流被阻止。
二极管的伏安特性曲线反映了电压与电流之间的关系。
三、实验步骤：1.准备实验器材：电源、电阻器、二极管、开关、导线、电压表和电流表。
2.将电源、电阻器、二极管、开关、电压表和电流表按照正确的连接方式连接起来。
3.先将二极管短路，调节电源电压，观察电压表和电流表的读数，并记录下来。
4.然后将二极管接入电路中，重复步骤3，记录下不同电压下的电流值。
5.根据实验数据绘制二极管的伏安特性曲线。
四、实验结果与分析：1.在本次实验中，我们观察到二极管具有明显的单向导电性。
当电压为正向偏置时，电流能够顺利通过二极管；而当电压为反向偏置时，电流几乎为零。
这说明二极管可以有效地阻止反向电流。
2.通过实验数据，我们发现随着电压的增加，电流也逐渐增加。
这是因为当电压增大时，电场力增强，驱使载流子加速运动，导致电流增加。
这一趋势在伏安特性曲线上表现为斜率逐渐增大的直线段。
3.在高电压区域，伏安特性曲线的斜率有所减小。
这是由于在高电压下，载流子的速度接近饱和，导致电流增加的速度减缓。
此外，在高电压区域还可能存在其他的一些物理效应，如空间电荷区的扩展等，这些效应也会影响电流的增长速度。
4.通过本次实验，我们得出二极管的伏安特性曲线是一条斜率逐渐增大的直线，并在高电压区域有所弯曲。
这一曲线反映了二极管的单向导电性和它的基本性质。
根据这一特性，我们可以将二极管应用于各种电路中，如整流电路、开关电路等，以实现电能的有效转换和控制。
半导体光电二极管伏安特性的测定半导体光电二极管在光测技术、光纤通信、自动检测和自动控制技术领域中应用十分广泛，因此在基础物理实验中让学生了解光电二极管结构及原理、熟悉光电二极管的基本性能和掌握它在光电转换技术中的正确使用方法很有必要。
四川大学物理学院开发了“半导体光电二极管伏安特性测试仪”，并研制出与之配套使用的新型教学仪器——MOE-A型光电二极管伏安特性测试仪。
现就半导体光电二极管的基本结构、工作原理、伏安特性及其应用技术等问题进行讨论:
一、结构及工作原理
半导体光电二极管与普通的半导体二极管一样，都具有一个pn结，但光电二极管在外形结构方面有它自身的特点，这主要表现在光电二极管的管壳上有一个能让光照射入其光敏区的窗口，此外，与普通二极管不同，它经常工作在反向偏置电压状态(如图1a所示)或无偏压状态(如1b所示)。
在反偏电压状态下，pn结的空间电荷区的势垒增高、宽度加大、结电阻增加、结电容减少，所有这些均有利于提高光电二极管的高频响应性能。
无光
a反向偏压工作状态b 无偏压工作状态
图1 光电二极管的结构及工作方式
照时，反向偏置的pn结只有很小的反向漏电流，称为暗电流。
当有光子能量大于pn结半导体材料的带隙宽度Eg的光照射到光电二极管的管芯时，pn结各区域中的价电子吸收光能后将挣脱价键的束缚而成为自由电子，与此同时也产生一个
自由空穴，这些由光照产生的自由电子空穴对统称为光生载流子。
在远离空间电荷区(亦称耗尽区)的p区和n区内，电场强度弱，光生载流子只有扩散运动，它们在向空间电荷区扩散的途中因复合而被消失掉，故不能形成光电流。
形成光电流的主要靠空间电荷区的光生载流子，因为在空间电荷区内电场很强，在此强电场作用下，光生自由电子空穴对将以很高的速度分别向n区和p区运行，并很快越过这些区域到达电极，沿外电路闭合形成光电流，光电流的方向是从二极管的负极流向它的正极，并且在无偏压短路的情况下与入射的光功率成正比，因此在光电二极管的pn结中，增加空间电荷区的宽度对提高光电转换效率有着密切关系。
为此目的，若在pn结的p区和n区之间再加一层杂质浓度很低可近似看作是本征半导体(用i 表示)，这样形成了具有p,i,n三层结构的半导体光电二级管，简称pin管，pin 光电二极管的pn结除具有较宽的空间电荷区外，还具有很大的结电阻和很小的结电容，这些特点使得pin管在光电转换效率和高频响应特性等方面与普通光电二极管相比均得到了很大改善。
二、光电二极管的伏安特性
根据半导体理论，光电二极管的伏一安特性可用下式表示:
I,I[l,exp(qV,kT)]，I(1) 0L
其中I是无光照的反向饱和电流，V是二极管的端电压(正向电压为正，反向电压为0
负)，q为电子电荷，k为波耳兹数，T是pn结的温度。
单位为K，I是无偏压状态下光照L
时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。
(1)式中的I和I均是反向电流，即从光电二0L
极管负极流向正极的电流。
根据(1)式，光电二极管的伏安特性曲线如图2所示，对应图la所示的反偏工作状态，光电二极管的工作点由负载线与第三象限伏
安特性曲线的交点确定;对应图1b示的无偏压工作状态光电二极管的工作点由负载线与第四象限的伏安特性曲线交点确定。
由图2可以看出:
图2 光电二极管的伏安特性曲线及工作点的确
1(光电二极管即使在无偏压或反向偏压的工作状态下，也有反向电流流过，这与普通二极管只具有单向导电性相比有着本质的差别，认识和熟悉光电二极管的这一特点对于在光电转换技术中正确使用光电器件具有十分重要意义。
2(反向偏压工作状态下，在外加电压E和负载电阻R的很大变化范围内，光电流与L
入照的光功率均具有很好的线性关系;无偏压工作状态下，只有R较小时光电流才与入照L
光功率成正比，R增大时，光电流与光功率呈非线性关系。
无偏压状态下，短路电流与入L
射光功率的关系称为光电二极管的光电特性，这一特性在I—P坐标系中的斜率 L
,ILR, (2) ,P
定义为光电二极管的响应度，这是一个宏观上表征光电二极管光电转换效率的一个重要参数，单位为A/W。
3(在光电二极管处于开路状态的情况下，光照时产生的光生载流子不能形成闭合的光电流，它们只能在pn结空间电荷区的内电场作用下，分别堆积在pn结空间
电荷区两侧的n层和p层内，产生外电场，此时光电二极管表现出具有一定的开路电压。
不同光照情况下的开路电压就是伏安特性曲线与横坐标轴交点所对应的电压值，由图可见，光电二极管的开路电压与入照光功率也是呈非线性关系。
4(反向偏压状态下的光电二极管，由于在很大的动态范围内其光电流与偏压和负载电阻几乎无关，故在入照光功率一定时可视为一个恒流源;而在无偏压工作状态下光电二极管的光电流随负载电阻变化很大，此时它不具有恒流源性质，只起光电池作用。
光电二极管的响应度R值与入照光波的波长有关。
本实验中采用的硅光电二极管，其光谱响应波长在0.4,1.1μm之间、峰值响应波长在0.8,0.9μm范围内。
在峰值响应波长下，响应度R的典型值在0.25,0.5A/W的范围内。
三、光电二极管伏安特性曲线的测定
测试光电二极管在第三象限内伏安特性的电路如图3所示。
其中LED是发光中心波长与被测光电二极管的峰值响应波长很接近的GaAs半导体发光二极管，在这里它作光源使用;其光功率由称为尾纤的光导纤维输出，由IC1为主构成的电路是一个电流——电压变
换电路，它的作用是把流过光电二极管的反向电流I转换成由IC1输出端C点对反相输入端b点间的电压Vcb，因为直接测量Vcb会造成测试电路对光电流的分流，影响测量结果的准确性，所以由IC2为主构成的减法电路将电压Vcb转换成与光电流成正比的输出电压V。
整个测试电路的工作原理依据如下:由于IC1的反相输人端具有很大的输入阻抗，光O
,RI。
电二极管受光照时产生的光电流几乎全部流过反馈电阻R4并在其上产主电压降Vcb4另外，又因IC1具有很高的开环电压增益，反相输入端与同相输人端对地的电压几乎相等，故Vca,Vcb,RI。
此外在由IC2构成的减法电路中。
只要R=R 和R,R，则其输出电45678压Vo与差分输入电压Vca相等，即
V=Vc-Va=Vca= RI (3) O4
已知R后，就可根据上式由Vo计算出相应的光电流I。
4
在图3中，为了使被测光电二极管能工作在不同的反向偏压状态下，设置了由R和3W组成的分压电压;电位器W、开关K用于IC2输出电压的零点调节。
23
图3 光电二极管第三象限伏安特性的测定
光电二极管第四象限伏安特性曲线的测试电路如图4示。
在测完一条第三象限的伏安特性曲线后，保持LED驱动电流不变，调节电阻箱，改变光电二极管的负载电阻R;使它L的端电压从0,200mv逐渐增加。
每增加50mv，记录下相应的R值。
在数字电压表内阻比L
R。
大很多的情况下，则光电流I可以由下面的式子计算:
I=V,R (4) L
图4(光电M级管第四象限伏安特性曲线的测定图5(LED电光特性的测定
多大,。
