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设计
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二極體伏安特性曲線的研究
一、設計目的
電路中有各種電學元件,如晶體二極管和三極管,光敏和熱敏元件等。人們通常需要瞭解它們的伏安特性,以便正確的選用它們。通常以典雅為橫坐標,電流為縱坐標作出元件的電壓——電流關係曲線,叫做該元件的伏安特性曲線。該設計通過測量二極體的伏安特性曲線,瞭解二極體的導電性的實質,使我們在設計電路時能夠準確的選擇二極體。
二、設計原理
1、二極體的伏安特性
:1:二極體的伏安特性方程為:
式中,Is為反向飽和電流,室溫下為常數;u為加在二極體兩端電壓;UT為溫度的電壓當量,當溫度為室溫27?時,UT?26mV。
當PN結正向偏置時,若u?UT,則上式可簡化為:IF?ISeu/UT。
當PN結反向偏置時,若,u,?UT,則上式可簡化為:IR?,IS。可知- IS與反向電壓大小基本無關,且IR越小
表
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明二極體的反向性能越好。
對二極體施加正向偏置電壓時,則二極體中就有正向電流通過,隨著正向偏置電壓的增加,開始時,電流隨電壓變化很緩慢,而當正向偏置電壓增至接近其
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導通電壓時,電流急劇增加,二極體導通後,電壓少許變化,電流的變化都很大。
對上述二種器件施加反向偏置電壓時,二極體處於截止狀態,其反向電壓增加至該二極體的擊穿電壓時,電流猛增,二極體被擊穿,在二極體使用中應竭力避免出現擊穿觀察,這很容易造成二極體的永久性損壞。所以在做二極體反向特性時,應串入限流電阻,以防因反向電流過大而損壞二極體。
二極體伏安特性示意圖1、2所示。
圖1鍺二極體伏安特性 圖2矽二極體伏安特性
2、二極體的伏安特性曲線
下面我們以鍺管為例具體
分析
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,其特性曲線如圖3所示,分為三部分:
圖3 半導體二極體(矽管)伏安特性
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:
(a)正向特性
?OA段為死區,此時正偏電壓稱為死區電壓Uth,矽管0.5V,鍺管0.1V。?AB段為緩衝區。?BC段為正嚮導通區。當u?Uth時,二極體才處於完全導通狀態,導通電壓UF基本不變。矽管為0.7~0.8V,一般取0.7V,鍺管為0.2~0.3V,通常取0.2V。當二極體為理想二極體時,UF=0。
(b)反向特性
如圖OD段所示,二極體處於截止狀態,在電路中相當於開關處於關斷狀態。
(c)反向擊穿特性
如圖所示,反向電流在E處急劇上升,這種現象稱之為反向擊穿,此時所對應的電壓為反向擊穿電壓UBR。對於非特殊要求的二極體,反向擊穿時會使二極體PN結過熱而損壞。
三、設計過程
1、反向特性測試電路
二極體的反向電阻值很大,採用電流錶內接測試電路可以減少測量誤差。測試電路如圖4所示,電阻選擇R=500Ω ,起限流作用 ,電壓源E取0-15V連續可調。根據所得的各組資料在座標紙上描繪二極體反向偏置測試時的特性曲線。
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圖4 二極體反向特性測試電路
2、正向特性測試電路
二極體在正向測試時,呈現的電阻值較小,應採用電流錶外接測試電路。如圖5所示。電源電壓E在0,10V內調節,變阻器開始設置500,調節電源電,壓在0-10V內變動,以得到所需電流值。然後在座標紙上描繪正向偏置時的特性曲線。
圖5 二極體正向特性測試電路
3、二極體的單向導電性的驗證
圖6 半導體二極體單向導電性
a)二極體正向偏置 b)二極體反向偏置
圖6(a)中的開關閉合,燈亮,大電流;圖6(b)開關閉合,燈不亮,電流幾乎
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為零。
二極體陽極電位高於陰極電位,稱為二極體(PN結)正向偏置,簡稱正偏;二極體陽極電位低於陰極電位,稱為二極體(PN結)反向偏置,簡稱反偏。
二極體正偏導通,反偏截止的這種特性稱為單向導電性。 四、設計總結
1、在設計之前要反復思索,仔細考慮,形成一個完整的思路。
2、電路連接後要仔細檢查,無錯誤後接通電路,開始測量。
3、測量過程中要有耐心,仔細記錄各組資料。
4、描繪特性曲線,與理論曲線相比較。
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