二極體的特性

二極體的特性

目的

量測二極體之電壓電流關係並和已知之公式比較。

儀器

信號產生器、示波器、數位電錶 麵包板、接線及香蕉插座零件盒各一 二極體1N4148 一枚；

稽納二極體6.2V 一枚；

精密電阻1kW、1MW 各一枚；

紅光LED 一枚；

藍光LED 一枚。

原理說明

二極體的特性

二極體的功能很容易瞭解：它只能讓電流向一個方向流動，有些像"單行道"，

它的符號就如同它的功能：

另外有一件事得請同學注意，它導通的時候（即電流方向為二極體所指的方向，

且夠大）會有約0.6V~0.7V的電壓降，即此單行道不是免費的，It costs something to go through！以上是你在實際用二極體所需知道的東西。Is that all? "Almost"！ 為了考慮同學們自覺身為一個物理系學生，好像必須多知道些高貴點的東

西，於是乎我們把二極體的電流-電壓特性方程式（ I-V characteristics)寫出來讓同 學品味驗證：

) 1 (

−

= I

e

I

我先把這奇怪公式裡的符號說明一下：q代表一個電子的電量，k^B是波次曼常數

（同學有沒有覺得"q and kB are something beyong circuits！"有點物理高貴的味道），

T是溫度（絕對的！）。Is為逆向飽和電流（Reverse Saturation Current），當 加在二極體上的電壓Ｖ為負時，eq.1中之exp(qV/ηkBT) 0，∴I=-Is，故名之。

η為理想參數，和二極體所用的材料和品質有關，一般在1和2之間。

在室溫（ 300K）時，kBT/q約為25mV，於是式eq. 1中的"物理味"沒有了：

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) 1 ( ^0.025 −

= ^η⋅

V S e I

I （eq. 2）。

二極體的I-V特性圖如下：

有關上面二極體I-V圖的幾點說明：

1. 通常二極體在導通時，工作電流 5mA，此時它的壓降約為0.6V（圖中之

Vcut-in，或叫切入電壓）。

2. 反向電流很小，即Is<<1μA。

3. 逆向偏壓太大時，二極體會"崩潰"，一般二極體一崩潰就回不來了，

別試！

有另外一種特殊的二極體稱為稽納二極體（英文Zener Diode，好怪的名字），

它的"崩潰"是可"控制"的，而且是可“恢復“的，它的崩潰電壓VBR可固定在某個 電壓，例如本實驗所使用的稽納二極體，|VBR|大約是6V。

它的I-V圖大約是：

***

現在我說明一下實驗中如何由I-V之數據求出eq. 1中之η：

先將式eq. 1左右取log：

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) 1 log(

log

log = + ^{k T} −

qV S

e B

I

I ^η

在順向偏壓時V>>kBT/q ( 25mV)→exp(qV/ηkBT)>>1，上式可改寫為：

V e I V I

T

S log

log

log ^{= +}η ^{(eq. 3)}

其中VT=kBT/q。

假如用log I對V做圖，可得一直線，斜率為loge/ηVT，縱軸截距為logIs。loge和VT

已知，得斜率即可得知η。

實驗步驟

二極體在使用前，可以用數位電表的歐姆檔中標有二極體符號的檔，測量他的好 壞及判定正負極。

＜一＞二極體之順向偏壓特性曲線 1. 電路連接如右圖：

1kΩ精密電阻是用來間接量測通過二 極體的電流（If=Vb/1kΩ）。

調整直流電源供應器的輸出電壓使得I^f為 100μA、200μA、400μA、700μA、

1mA、2mA、4mA、7mA及10mA，

分別記錄圖中點a及點b對於地（GND）的 電壓Va 及Vb，二極體上的偏壓可由 Va-Vb求得。或是你可以用數位電表電 壓檔直接量a、b兩點的電壓差。

2. 在方格紙及半對數紙上畫出I-V曲線。可利用你熟悉的電腦軟體，如ORGIN或 EXCEL來畫

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＜二＞二極體之逆向偏壓特性曲線

1. 電路和程序一類似，只是將二極體反向，並且將串聯的1kΩ電阻換為1MΩ電 阻，如上圖。

調整電源供應器，記錄下當二極體逆向偏壓（即Va-Vb）為1V、2V、3V、4V、

5V、6V及7V時之逆向電流值Ir（=Vb/1MΩ）。

2. 在方格紙上（和順向偏壓曲線畫在同一張）畫出逆向偏壓之特性曲線。這裡 也建議你用電腦軟體處理。

你會發現逆向電流比順向電流小很多，你可能要用不同的單位（例如 If 用mA而 Ir

用μA）。

＜三＞動態二極體特性曲線之測試

利用信號產生器掃描器掃描對二極體的偏壓，同時利用示波器觀察電流對偏壓的 變化。

接線如下圖：

1. 利用信號產生器輸出三角波或正弦波（頻率先用100Hz），輸出振幅調到最大，

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示波器的時基選擇調到最順時針方向，即X-Y模式，此時Ch1輸入為X軸，Ch2輸 入為Y軸，X軸為二極體的偏壓，Y軸代表負的經過二極體的電流，且每伏特代表 1mA（你知道為什麼嗎？）。調整信號產生器輸出信號的DC offset，可以使整 個二極體的特性曲線呈現在示波器銀幕上。請將此曲線描下來。

2. 將X-軸調在0.5V/DIV（假如是X1探針），Y-軸也是0.5V/DIV。用你吹乾頭髮的 吹風機略為加熱二極體，這時二極體的特性曲線有何變化？

注意！別加熱加得太過分，把東西或你自己給燙傷了。

3.假如將掃描信號的頻率換為1kHz、10kHz、100kHz，所得曲線有何變化？

＜四＞稽納二極體與LED之特性曲線

1. 將步驟三電路圖中之一般二極體(1N4148)換成稽納二極體、紅光LED、及藍 光LED，重複步驟三之1，結果和一般二極體有何不同？

(稽納二極體逆向偏壓一定要掃到6V以上！)

2. 用步驟一的方法測稽納二極體、紅光LED、及藍光LED的順向偏壓特性，並 求出它的η值，和一般二極體比較。

3. 測量比較各種二極體在順向電流為1mA及5mA 時之電位差，做成表格。

＜五＞應用--半波整流器

由以上的實驗知，二極體是一個單向導通的非線性元件。一般的矽製成的pn二極體 導通時，順向偏壓約維持在0.7V。利用這些特性，我們可以簡單的設計出來一個 整流器(rectifier)，只讓交流訊號中同一極性的部分通過。對弦波而言，只有半週 期導通，故稱為半波(half-wave)整流器。

電路連接如右圖：

1. Vin用振幅為5V之60Hz正弦波輸入，畫出 你觀察到的Vout，注意峰值為多少？是否仍 為5V？（注意：二極體導通時約有0.7V之電 位降）

2. 將二極體方向倒過來，重複上面步驟。結 果有何差別？為什麼？

＜六＞應用--電壓限制電路

利用二極體單向導通的特性很容易就可以設計出電壓限制電路，在電路保護方面 用途很多。例如下面電路就是一個簡單的電路，將輸出限制在+0.7V和-0.7V之 間。假如將二極體D1和D2(1N4148)以兩個二極體串聯代替，則限制電壓就變成 +1.4V和-1.4V之間。

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圖(六-1) 圖（六-2）

假如你想設定的電壓範圍是可調整或其他的值，可以在D1，D2的一端各接一直 流電源當參考電壓，如下圖，很容易可以證明Vout被限制在Va1+0.7V和-Va2-0.7V 之間。

節省時間起見，我們只測試圖(六-1)的電路。Rs用約100Ω的電阻。Vin分別輸入用 振幅1V及0.1V的弦波，DC offset=0，頻率100Hz左右的訊號，同時畫出Vout，Vin 對時間的關係。輸出有在±0.7V範圍之外的訊號嗎？

預習問題

1. 查閱元件資料（在課程網頁上），查出室溫時1N4148 在1mA、5mA 及10mA 順向電流時之電位差。在5V、10V、20V 逆向偏壓時之逆向電流。

2. 到網路上或圖書館查一下，紅光LED 和藍光LED 各是由哪些半導體材料製作 的？紅外線LED 呢？

3. 由原理介紹中之eq. 3，室溫時，順向偏壓電流取對數，對電壓V 做圖，斜率 值應該是多少？假設η為1。

4. 假如某二極體Is=10^-14A，η為1，利用eq.1 畫出二極體的I-V 特性曲線。電壓 範圍由-1V 到0.7V，每隔0.1V 取一點。建議您使用ORGIN 或EXCEL 來做。

順向偏壓的部分則在畫一張辦對數座標圖，檢查一下斜率，是否和上題之結 果相同？

5. 在步驟三之1 中，為什麼Y 軸代表負的經過二極體的電流，且每伏特代表 1mA？

6. 說明步驟五的電路中，當Vin>0.7V 時，Vout=Vin-0.7V。當Vin<0.7V 時，

Vout=0。畫出Vout 對Vin 的關係圖。假設二極體導通後有電位降0.7V，不考慮 串聯電阻，不導通則是開路。

7. 畫出步驟五之2 中電路Vout 對Vin 的關係圖。

8. 畫出圖(六-1)電路之Vout 對Vin 的關係圖。

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數據分析與思考問題

1. 整理每一步驟的數據結果，並和理論值比較。回答步驟中的問題。

2. 由步驟一之數據，求出1N4148 二極體的理想參數η及Is。 3. 在步驟二中，為什麼要改為串聯一個1MΩ的電阻？

4. 稽納二極體、紅光LED、及藍光LED 和一般二極體的特性曲線有何不同之處？

5. 解釋步驟三之3 的結果。（提示：電容效應）

6. 比較稽納二極體、紅光LED、及藍光LED 和一般二極體的η及Is 值。

7. 請利用步驟六原理中所述之方法設計一個±5V 的電壓限制電路。

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