伏安法測二極管方法及數據處理研究

李維銀　張永莉　張莎　海蓮

摘 要：文章采用DH6101伏安特性儀和電化學工作站兩種平臺測試了1N4007和2AP10二極管的伏安特性，用Origin軟件繪制了I-V曲線圖，實驗結果表明，采用DH6101平臺測試不能實時繪制I-V曲線圖，而采用電化學工作站能實時繪制I-V曲線圖，直觀地觀察二極管的伏安特性。利用Origin軟件繪圖降低了繪圖誤差，提高了實驗數據處理的效果。同時，本次實驗中利用Origin軟件擬合了高斯曲線，擬合優度很高。

關鍵詞：伏安法；2AP10；1N4007；電化學工作站；Origin軟件

電子元件中，二極管是一種只允許電流由單一方向流過的兩個電極的裝置，具有整流功能[1]，被廣泛應用于各種交流變直流的整流電路中。搞清楚二極管的特性尤為重要，在大學物理實驗中，通常利用電流表和電壓表測量二極管的伏安特性。實驗過程中，受到實驗儀器、環境、實驗條件等因素的限制，必然會出現一定的誤差，影響測量結果的精確度[2]。目前，實驗過程中，二極管I-V曲線不能實時繪制，不利用學生及時觀察它們的特性。電化學工作站測量I-V曲線時，避免了這個缺點。隨著計算機普遍使用，利用計算機繪制二極管伏安特性曲線成為可能，這樣有利于提高學生實驗能力的同時，提高實驗數據處理的能力。Origin是一種專業的繪圖和數據處理軟件，在實驗數據處理方面有廣泛的應用[3-5]。本文利用實驗DH6101伏安特性儀和電化學工作站分別測試了1N4007和2AP10兩種二極管的伏安特性，用Origin軟件繪制并擬合了I-V曲線圖。

1 實驗原理與方法

在DH6101伏安特性儀實驗平臺上，伏安法測二極管2AP10和1N4007伏安特性采用電流表內接法和電流表外接法，電路示意如圖1所示。電源電壓在0～10 V內調節。通過對這兩種方法電路圖分析，發現這兩種實驗方法都會存在誤差，其主要來源于電表內阻接入電路而引起。在電流表外接實驗中，電壓表和電流的讀數分別是U和I時，由于電壓表內阻會進行分流，這樣實際通過二極管的電流I'是小于I，它們之間滿足下面的關系式[6]：

利用電化學工作站CHI660E中循環伏安法對二極管1N4007和2AP10分別測試了它們的伏安特性，將對極和參比電極同時夾在二極管的一端，將工作電極夾在二極管的另一端，此時二極管構成模擬電解池。初始電位和高電位都設為1.0 V，低電位設在1.0 V，靈敏度設在1.0e～003A/V。

2 數據分析與討論

利用DH6101伏安特性儀測二極管1N4007和2AP10伏安特性曲線如圖2所示?？梢钥闯?，當二極管1N4007和2AP10正向電壓分別小于它們的“死區電壓”時，二極管基本不導電，其電阻極大；當正向電壓大于它們的“死區電壓”時，其電阻較小。電流表內、外接法中，二極管1N4007的正向降壓都約為0.6 V，與實驗平臺中給出值（硅二極管0.7 V左右）一致，電流表內接法二極管導通后，電流沒有迅速增長，而電流表外接法二極管隨著電壓增大急劇增加，因此，電流表外接法更符合測二極管1N4007的正向伏安特性。二極管2AP10在電流表內接法中，正向降壓約為0.6 V，大于實驗平臺中給出值（鍺二極管0.2 V左右），而在電流表外接法中，正向降壓約為0.3 V，與實驗平臺中給出值一致，電流表內接法二極管導通后，電流隨著電壓增加增長速度過慢，而電流表外接法二極管隨著電壓增大也急劇增加，對于二極管2AP10，電流表外接法也比較符合測它的正向伏安特性。總之，通過電流表內、外接法測二極管正向伏安特性實驗比較，可知電流表外接法更符合測它們的正向伏安特性，符合大多數物理實驗教科書。

在圖2中，同時給出了高斯擬合曲線。高斯擬合是利用Origin軟件進行擬合，擬合光譜線型滿足下列關系式：

（3）

其中，y0是基線，A為峰面積，w為峰的半高寬，xc為峰的位置。利用Origin軟件擬合二極管1N4007和2AP10伏安曲線的擬合優度（R2）如表1所示，總體上擬合曲線與測量值擬合程度比較好，相比之下，內接法擬合程度比較好。

利用電化學工作站CHI660E測二極管1N4007和2AP10伏安特性曲線如圖3所示。二極管1N4007的正向降壓約為0.5 V，與DH6101伏安特性儀測測量數值接近，但略小于實驗平臺中給出值（硅二極管0.7 V左右），二極管導通后，電流隨著電壓增大急劇增加。二極管2AP10的正向降壓約為0.35 V，與DH6101伏安特性儀測測量數值接近，略大于實驗平臺中給出值（鍺二極管0.2 V左右），二極管導通后，電流隨著電壓增大也急劇增加。圖3中同樣對這兩條曲線做了高斯擬合，發現它們的擬合度很高（見表1）。

對比這兩種伏安特性曲線測試平臺，可以發現，采用DH6101平臺測試不能實時繪制I-V曲線圖，而采用電化學工作站能實時繪制I-V曲線圖，直觀地觀察二極管的伏安特性。在實驗數據處理階段，相比手工繪圖，利用Origin軟件繪圖降低了繪圖誤差，提高了實驗數據處理的效果。同時，利用Origin軟件還可以擬合曲線，本次實驗中利用Origin軟件擬合了高斯曲線，擬合優度很高。

3 結語

本文利用實驗DH6101伏安特性儀和電化學工作站分別測試了1N4007和2AP10兩種二極管的伏安特性。在DH6101伏安特性儀平臺上二極管1N4007在電流表內、外接法中的正向降壓都約為0.6 V，與硅二極管（0.7 V左右）一致，二極管2AP10在電流表內接法中，正向降壓約為0.6 V，大于鍺二極管（0.2 V左右），而在電流表外接法中，正向降壓約為0.3 V，與鍺二極管一致。兩種方法中，采用電流表外接法時，兩種二極管電流都隨著電壓增大也急劇增加，更符合測它們的正向伏安特性。利用電化學工作站CHI660E測二極管1N4007和2AP10的正向降壓分別約為0.5 V和0.35 V。利用Origin軟件擬合二極管1N4007和2AP10伏安曲線發現，總體上擬合曲線與測量值擬合程度比較好，相比之下，內接法擬合程度比較好。