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米邢
5 years ago
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1 實驗五二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 6.2 一枚 ; 精密電阻 1kΩ 1MΩ 各一枚 ; 紅光 LED 一枚 ; 藍光 LED 一枚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! 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 : + + (Yes) (No) 此槓即實際元件形狀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 0.6~0.7 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- characteristics) 寫出來讓同學品味驗證 : I = I S ( e q / ηk T B 1) (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,k B 是波次曼常數 ( 同學有沒有覺得 "q and k B are something beyong circuits!" 有點物理高貴的味實驗五之 1

2 道 ),T 是溫度 ( 絕對的!) I s 為逆向飽和電流 (Reverse Saturation Current), 當加在二極體上的電壓為負時,eq.1 中之 exp(q/ηk B T) 0, I=-I s, 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,k B T/q 約為 25m, 於是式 eq. 1 中的 " 物理味 " 沒有了 : η I = I 1 s e (eq. 2) 二極體的 I- 特性圖如下 : 崩潰! 20mA I f BREAKDOWN 10mA BR cut-in 逆向偏壓 Reverse μA 請注意! 順向和逆 -2μA 順向偏壓 Forward 向 I, 所用單位不同有關上面二極體 I- 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 0.6( 圖中之 cut-in, 或叫切入電壓 ) 2. 反向電流很小, 即 I s <<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 BR 可固定在某個電壓, 例如本實驗所使用的稽納二極體, BR 大約是 6 它的 I- 圖大約是 : BR I 它的符號比較奇怪一點 : -6 + _ *** 現在我說明一下實驗中如何由 I- 之數據求出 eq. 1 中之 η: 實驗五之 2

3 先將式 eq. 1 左右取 log: logi q kbt = logi + log 1 s e η, 在順向偏壓時 >>k B T/q ( 25m) exp(q/ηk B T)>>1, 上式可改寫為 : 其中 T =k B T/q logi = logi s + loge (eq. 3) η T 假如用 log I 對做圖, 可得一直線, 斜率為 loge/η T, 縱軸截距為 logi s loge 和 T 已知, 得斜率即可得知 η logi logi s 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 (I f = b /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 a 及 b, 二極體上的偏壓可由 a - b 求得或是你可以用數位電表電壓檔直接量 a b 兩點的電壓差直流電源供應器 1N4148 ( 精密 ) 實驗五之 3

4 2. 在方格紙及半對數紙上畫出 I- 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直流電 1N4148 源 I f 供應 1M 器 ( 精密 ) 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 a - b ) 為及 7 時之逆向電流值 I r (= b /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 I f 用 ma 而 I r 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 : D 1N4148 訊號產生器 R 1kΩ Ch1 Ch2 示波器的 X-Y 模式實驗五之 4

5 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 0.5/DI( 假如是 X1 探針 ),Y- 軸也是 0.5/DI 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 6 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, 對電壓做圖, 斜率值應該是多少? 假設 η 為 1 4. 假如某二極體 I s =10-14 A,η 為 1, 利用 eq.1 畫出二極體的 I- 特性曲線電壓範圍由 -1 到 0.7, 每隔 0.1 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? 實驗五之 5

6 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 I s 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 I s 值 END OF EXP. 5 實驗五之 6

ated Current( 耐電流 ): 1-3A( 安培 ) EQUIVALENT CICUIT DIAGAM 等效電路圖 Electrical Characteristics 電氣特性 Impedance 阻抗 DC esistance ated Current Part Number Ω±25

ated Current( 耐電流 ): 1-3A( 安培 ) EQUIVALENT CICUIT DIAGAM 等效電路圖 Electrical Characteristics 電氣特性 Impedance 阻抗 DC esistance ated Current Part Number Ω±25% 歐姆直流電阻耐電流產品料號 @ 1MHz Ω (Max.) 歐姆 ma (Max.) 15 系列