观察二极管伏安特性曲线的两种方法

摘要

介绍两种观测二极管伏安特性曲线的方法：交流电源扫描法，以及基于直流电源与精密测量电路的扫描法。这两种方法能帮助学生直观理解二极管的导通电压、反向击穿电压等非线性特性。通过数字示波器或数据采集系统精确测量电压与电流的实时关系，实验可清晰呈现二极管的完整伏安曲线。该教学研究不仅能加深学生对二极管工作原理的理解，还可提升他们操作数字示波器、信号源等现代实验仪器的能力，从而有效促进其理论知识与实践技能的融合。

Graphical abstract

关键词

二极管伏安特性 / 稳压二极管 / 惠斯通电桥 / 数字示波器 / 观察 / 曲线 / 方法

人教版高中物理必修第三册“导体的电阻”一节提到了伏安特性曲线，以及线性元件与非线性元件的概念。通常以电压U为横坐标、电流I为纵坐标来绘制伏安特性曲线。对于金属导体，在温度没有显著变化时，电阻几乎不变。而气态导体以及许多半导体元件（如二极管、热敏电阻）的电流与电压并不成正比，这类电学元件称为非线性元件。其中，晶体二极管因其具有单向导电性，是课堂上最常研究的非线性元件之一，据此教材中给出了晶体二极管的伏安特性曲线。如果能在课堂上用实验展现二极管伏安特性曲线，可以加深学生对非线性元件，尤其是二极管的认识。

1 二极管分类

二极管是一种常用的半导体器件，其核心是由P型半导体和N型半导体结合形成的PN结。通常在PN结两端引出电极，并进行封装。二极管的基本特性之一是单向导电性（即正向导通、反向截止），但根据不同原理与设计，可实现多种功能。常见的二极管类型包括整流二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管等，它们分别用于整流、稳压、发光、光电转换及调谐等不同电路场合。①整流二极管是具有整流作用的二极管，可以将交流电转换为直流电，主要用于整流电路。②稳压二极管（齐纳二极管）通过工作在PN结的反向击穿区来实现稳压功能。在击穿状态下，其端电压（齐纳电压V_z）对电流的变化非常不敏感，即具有极低的动态电阻，从而能在一定的电流和功率范围内，将电路某点的电压稳定在一个预设值附近。这里的反向击穿状态是正常工作状态，不会损坏器件。③发光二极管（LED）在工作时能够发光，常用于构成显示器件或光源。采用不同材料的发光二极管可以发出不同颜色的光，常见的有红光、黄光、绿光、蓝光等。当发光二极管工作时，处于正向偏置状态，且正向电流达到一定值时就可以发光，具有工作电压低、电流小、抗冲击、可靠性高、寿命长等优点^［1］。

2 观察交流电路中二极管的电压与电流波形

二极管具有单向导电性，如果交流电路中存在二极管，那么交变电流波形会被截成半波。

实验器材：交流电源（信号发生器）、导线、开关、定值电阻（1 Ω）、稳压二极管（2.0 V）、LED、数字示波器。

实验步骤：

（1） 按图1所示连接电路，二极管选用LED。示波器CH₁端口连接电源两端，测电阻R与二极管的总电压。示波器CH₂端口连接电阻R两端。将电阻R作为取样电阻，运用示波器测出R两端电压，更改单位和探头比设置后，示波器会根据欧姆定律计算并显示出电流数值与图像。若采用面包板接线，可减少接线，如图2所示。

（2） 使用BNC转鳄鱼夹测试线将信号发生器作为电源接入电路（也可以用低压交流电源）。信号发生器或交流电源的地线必须与数字示波器的地线相连。将电源波形设置为正弦波，频率1 kHz，幅度（峰峰值）为12 V。

（3） 闭合开关，根据波形疏密，适当调节水平刻度系数旋钮。观察示波器电压、电流波形，如图3所示。若示波器有两个以上输入通道，可以在示波器CH₃端口输入与电源频率、相位相同的参考正弦信号。示波器设置如表1所示，其中探头衰减挡位是在探头笔杆上的拨动开关，探头比是示波器界面上的比例系数。

（4） 断开电源，将LED换成稳压二极管，再闭合开关，观察电压、电流波形变化（图4）。

现象与分析：使用LED时，电流波形下半部分被截止，但凸起部分占空比并非50%。在高中物理习题中，电路中的二极管正向导通时，电阻忽略不计；反向截止，电阻视为无穷大。而真实的二极管需要达到正向偏置电压才能导通，并非电压为正向就能立即导通。电压波形看起来像被削去了一部分波峰，是因为LED正向导通后，电阻很小，且近似线性，所以电压较低，且保持稳定。电压波形的波谷保留完整，是因为反向偏置电压未能达到击穿电压，所以LED两端反向偏置电压与输入电压波形基本吻合。

当使用稳压二极管时，电流波形下半部分并未被截止，是因为稳压二极管反向击穿后，存在反向电流。而电压波形的波峰波谷均被削去一部分，是因为该稳压二极管的击穿电压为2.0 V，而电源电压峰峰值为12.0 V，所以达到击穿电压后，反向电压基本保持稳定。

3 观察二极管伏安特性曲线

用示波器观察二极管伏安特性曲线，需要将时基模式设置为X-Y。由于LED以及整流二极管反向击穿电压太高，可达50 V甚至100 V以上，且稳压二极管的击穿电压有10 V以下可以选择，所以从安全性和方便性考虑，观察二极管伏安特性曲线的最佳选择就是稳压值较低的稳压二极管。该实验采用稳压值为2.0 V的稳压二极管。

3.1 方案一：交流电源扫描法

该方案的电路与前面观察二极管对交变电流的影响所用电路相同。

实验器材：交流电源（信号发生器）、导线、开关、定值电阻（1 Ω）、稳压二极管（稳定电压2.0 V）、数字示波器。

实验步骤：

（1） 在前述实验中，已观察到稳压二极管的电压电流波形。再将示波器的时基模式设置为X-Y模式，在该模式下，纵坐标为CH₂，横坐标为CH₁。当利用CH₁测电压、CH₂测电流时，即可得到I-U图像。

（2） 采样存储深度设为6 k，可使图线更细、更清晰。适当调节水平刻度系数（Horizontal Scale），可使图像稳定且连续。电源电压峰峰值可增至24 V，分别调节CH₁和CH₂的垂直缩放与平移，以使图像尽量布满显示区域。

（3） 开启光标（Cursor）功能，可读取关键位置坐标值。伏安特性曲线如图5所示。

现象与分析：由图5可知，该稳压二极管正向导通电压为700.0 mV，反向击穿电压为-2.0 V，稳压二极管的正向偏置电压和普通二极管相当。但是，其反向击穿电压的范围远大于普通的二极管，常见的稳压值可在2~100 V，能承受比一般二极管更高的电压，且稳压二极管的反向电压操作是可逆的。

在该实验中，CH₁测量的是电阻R与二极管的电压之和，所以该伏安特性曲线是电阻R与二极管串联后的伏安特性曲线。但由于取样电阻阻值很小，分压也很小，所以可近似为二极管的伏安特性曲线。

3.2 方案二：惠斯通电桥扫描法

刘彬生^［2］在《高中物理实验教学研究》一书中给出了一种观测方法。该方法用直流电源，滑动变阻器分压，分段显示二极管伏安特性曲线。其实验电路如图6所示，AB间接直流电源，示波器设置为X-Y模式。当电源正接时，将在第Ⅰ象限显示正向伏安特性曲线；当电源反接时，将在第Ⅲ象限显示反向伏安特性曲线。

但采用此方法时，电压不能连续地从正向变化到反向，只能显示局部图像。为此，笔者基于惠斯通电桥电路进行改进，可借手动调节方式实现电压从正向到反向连续变化，图像显示完整。惠斯通电桥（图7）一般用来测量未知电阻阻值。当\frac{R_{\mathrm{2}}}{R_{\mathrm{1}}}=\frac{R_x}{R_{\mathrm{3}}}时，电桥平衡，检流计无电流通过；当改变R₂时，BD间电压可能会由正值向负值转变。利用该特性制作一个手动控制的双极性电源，可以为输出端口提供正电压和负电压。

实验器材：电池组（10~15 V）、开关、导线、旋钮式电位器R_P（560 Ω，额定功率5 W）、稳压二极管（稳压值2.0 V）、定值电阻（R₁=100 Ω，R₂=100 Ω，R₃=100 Ω，额定功率均为5 W）、取样电阻（R=10 Ω）、数字示波器（或模拟示波器）。

实验步骤：

（1） 按图8所示连接电路。先不要将二极管接入电路，而是将CH₁探头接在b、d两节点上，测量bd间电压。调节电位器旋钮（从一端到另一端），观察bd间正向最大电压和反向最大电压。如果观察到的电压从正值连续变化到负值，说明线路连接正确。

（2） 将CH₁、CH₂地线接在二极管与取样电阻之间，CH₁正极接在b点、CH₂正极接在d点。根据电路图8可知，因为CH₂反接，所以在示波器上CH₂应设置为反相。闭合开关后，调节电位器旋钮（图9），观察示波器两个通道是否都连续从正值变化到负值。

（3） 将示波器时基模式设置为X-Y模式，再将水平刻度系数设置为50 ms/DIV。快速往复转动电位器旋钮，观察示波器图像，如图10所示。根据图像显示状况，可将水平刻度系数适当调节至10~20 ms/DIV。

（4） 观察完毕，尽快断开电源，防止烧坏电位器。实验后，电阻温度会很高，不要立即用手触摸，以免烫伤。

现象与分析：用惠斯通电桥进行电压扫描，也可以得到和前面用交流电源相似的图像。但因为手动往复转动，变化频率远低于交流电源，所以产生的图像容易出现离散的点迹。

4 结语

通过数字示波器，展示了交流电源扫描法和惠斯通电桥扫描法在观测二极管伏安特性曲线中的应用效果。利用示波器的X-Y模式呈现了二极管的伏安特性曲线以及导通电压与击穿电压等非线性特性。交流电源扫描法可显示清晰稳定的图像，而惠斯通电桥扫描法虽然显示的图像不够稳定，但因为手动调节，增强了实验互动性。上述实验为理解二极管的伏安特性提供了直观有效的展示效果，使学生对二极管的非线性特性有更深入的理解。

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参考文献

[1] 天诚电图.电子元器件识别、检测、焊接、应用速查手册［M］.北京：中国水利水电出版社，2023.

[2] 刘彬生.高中物理实验教学研究［M］.南宁：广西教育出版社，2019. （上接第103页）

[3] 5.2　实验结论

[4] 共振现象的产生是物体在做受迫振动时，且驱动力的频率与物体的固有频率相等时，受迫振动的振幅达到最大，这种现象称为共振。即当T_驱=T_固时，振幅达到最大，且驱动力频率与固有频率相差越小，振幅越大。

[5] 5.3　误差分析

[6] 利用秒表测量转轴的运动时间会存在误差；水平杆与振子间的摩擦阻力并非完全恒定，也会影响振子的实际运动状态，从而对振幅、周期等测量结果造成影响。

[7] 结语

基金资助

教育部福建师范大学基础教育课程研究中心“基于核心素养下的通用技术跨学科融合教学实践研究”(KCA2024372)