實驗六 ＰＮ二極體之傳輸特性
零件
二極體1N4148 一枚；
稽納二極體6.2V 一枚；
精密電阻1kΩ、1MΩ 各一枚；
紅光LED 一枚；
藍光LED 一枚。
目的
量測二極體之電壓電流關係並和已知之公式比較。
相關知識
1. 二極體之種類及基本傳導特性；
2. 稽納二極體；
3. 基本測試儀器的使用方法。
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：
I Is e
qV k TB
= −
η 1 ...（式6.1）。
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，kB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！）。I為逆向飽和電流（Reverse Saturation Current），當加在二極
假如你有吹頭髮的吹風機，請實 驗時帶來，一組只要一支就夠 了！
+ - + -
(Yes) (No)
此槓即 實際元件形狀
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6.1中的"物理味"沒有了：
I Is e
V
= −
⋅ η0 025
. 1
...（式6.2）。
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. 逆天行道，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：
它的符號比較奇怪一點：
***
崩潰！ 20mA If
“BREAKDOWN”
10mA Vcut-in
-100v 50v V 0 1v 2v
1μA BR
2μA
I VBR
-6V
V
+ _ 逆向偏壓
“Reverse”
順向偏壓
“Forward bias”
請注意！順向和逆 向 I，V 所用單位不 同。
logI logIs log e
qV k TB
= + −
η 1
，
在順向偏壓時V>>kBT/q (∼25mV)→exp(qV/ηkBT)>>1，上式可改寫為：
logI logI V log
V e
s T
= +
η ， 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。
程序
＜1＞
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 If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DVM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。
＜2＞
二極體之逆向偏壓特性曲線
logI
V
logIs
(精密)
直 流 電 源 供 應 器
If
訊號產生器
1. 電路和程序＜1＞類似，只是將二極 體反向 ，並且將串聯的 1kΩ電 阻 換 為 1MΩ電阻，如右圖。
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。
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）。
＜3＞
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。
接線如右圖：
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，
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。
or
1k
直
流 電 源 供 應
器 (精密)
If
示波器的 X-Y 模式 Ch1 Ch2
1M
＜4＞
稽納二極體與LED之特性曲線
將程序＜3＞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，重複程序＜3＞之步驟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！
用程序＜1＞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。
問題與討論
*1. 由程序＜1＞之數據，求出此二極體的理想參數η及Is。
*2. 在程序＜2＞中，為什麼要改為串聯一個1MΩ的電阻？
3. 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？
4. 解釋程序＜3＞中步驟2的結果。
5.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。
