實驗二 二極體的特性
實驗目的
量測二極體之電壓電流關係並和已知之公式比較。
實驗儀器
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 1kΩ、1MΩ 各一枚；
紅光 LED 一枚；
藍光 LED 一枚。
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，利用式 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 ORIGIN 或 EXCEL 來做。順向偏壓的部分則 在畫一張半對數座標圖，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. 加分題：如右圖電路，模擬 25℃,100℃及 200℃對二極體 IV 特性曲線(ID1-VDC)的影響。
DC Sweep(0V 至 2V，每 0.01V 取一點)。
實驗原理 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"！
圖 2.1
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 …eq. 2.1
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！）。
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. 2.1 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 eq. 2.1 中的"物理味"沒有了：
. 1
二極體的 I-V 特性圖如圖 2.2 所示。
圖 2.2 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 圖大約如圖 2.3 所示；它的符號比較奇怪一點(圖 2.4)：
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. 2.1 左右取 log：
log log log 1 …eq. 2.2
在順向偏壓時 V>>kBT/q (～25mV)→exp(qV/ηkBT)>>1，上式可改寫為：
log log log …eq. 2.3 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。怎麼做？請寫在報告中!
<一>二極體之順向偏壓特性曲線
圖 2.6
1. 電路連接如圖 2.6：1kΩ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、5mA、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.利用你熟悉的電腦軟體，如 ORIGIN 或 EXCEL 來畫出 I-V 曲線。
<二>二極體之逆向偏壓特性曲線
圖 2.5
圖 2.7
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，如圖 2.7。
調整電源供應器，記錄下當二極體逆向偏壓（即 Va-Vb，不得使用電表直接量 Vab，Why?）
為 1V、2V、3V、4V、5V、6V、 7V、10V 及 20V 時之逆向電流值 Ir（=Vb/1MΩ）。
2. 用電腦軟體處理畫出逆向偏壓之特性曲線(和順向偏壓曲線畫在同一張)。
※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μ A）。
<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：
圖2.8
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7V，示波器的顯 示方式設定為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。
訊號產生器使用兩支腳的電源插頭。
<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(6V2)、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。
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。
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