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1k
Ω
、1MΩ 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
Se
qV kBTI
η（eq. 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 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
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：
−
=
η⋅0.0251
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<<1
µ
A。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：
它的符號比較奇怪一點：
***
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：
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
請注意！順向和逆 向 I，V 所用單位不 同。
先將式eq. 1左右取log：
−
+
=
log log 1log kT
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If
為100
µA、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。
logI
V
logIs
直 流 電 源 供 應 器
(精密)
1N4148
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
＜ 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1M
Ω
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：
直 流 電 源 供 應
器 (精密)
If
1M
示波器的 X-Y模式
Ch2
訊號產生器
Ch1
R D
1kΩ 1N4148
1N4148
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。
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。
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？
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。
