淺談二極管反向特性的演示教學

徐一花

（江蘇省惠山中等專業學校電類組，江蘇無錫，214153）

1 二極管演示教學前的準備工作

1.1 二極管在中職學業中的應用

二極管通常是由P型半導體和N型半導體，通過特殊工藝結合在一起，他們的交界處就形成了PN結，由P區引出的電極成為陽極，由N區引出的電極成為陰極，由于PN結具有單向導電性，故在P極加上正電壓，N極加上負電壓，能使二極管導通；反之，在P極加上負電壓，在N極加上正電壓，二極管就截止了，中間沒有電流通過，我們稱二極管的這種特性為單向導電性，正向導通，反向截止。

利用二極管的單向導電性，應用最多的就是對交流電的整流，我們可以利用一個二極管，搭建半波整流電路，利用四個二極管，搭建全波整流斷路。在收音機中，二極管還具有檢波功能。我們還能利用二極管的反向截止功能，制作成穩壓電路。總之，二極管在電子電路當中是一個很常見的元器件，應用非常廣泛。

二極管的正向導通我們已經非常熟悉了，對于反向截止，我們的認知一直停留在截止上面。這節課，我們就來看看，給二極管接上反向電壓，會出現一個什么樣的現象。書本上給出了反向最大電壓Urm，真正擊穿跟這個反向最大電壓之間是什么關系？這次實驗，我們選的二極管型號為1n4148，是一種小型的高速開關二極管，在我們平時實驗中經常會遇到，選它作為我們的演示道具比較具有代表性。

1.2 演示教學的原則和特點

二極管是我們專業領域經常用到的元器件，但對于他們的表述最多的就是書本上的特性曲線圖，二極管特性曲線圖對于初學電子元器件的學生來講很抽象，尤其是在二極管的反向截止區，平時學習過程中用到的是少之又少，學生對于二極管反向狀態的概念停留在截止狀態。本次教學可以通過演示教學法，讓學生對書本上一成不變的特性曲線有一個直觀的了解，同時讓學生深刻感知二極管的擊穿狀態。

1.3 課前準備

本節課需要介紹二極管的反向特性，以往的教學，同學們一般對二極管的正向導通區比較了解，二極管通正向電壓，過了死區電壓就導通，但對二極管的反向特性往往是一知半解，具體什么叫“擊穿”也不知道，只知道那是一個書本上出現的名詞。結合這些特點，可以把二極管的反向特性就用演示教學來完成，加深同學們對二極管在反向特性中從截止區到達擊穿區的印象。

要演示出二極管的一個擊穿過程，首先要準備一個調壓器，可以輸出從0到260V的交流電壓；其次給二極管提供的必須是一個直流電，因此，需用四個二極管搭建一個橋式整流，在橋式整流后面可以再并聯一個濾波電容，這樣，一個可以調壓的直流電源就完成了。

演示教學的對象是學生，要把所有的道具以及現象展示給學生，所以用傳統的印制電路板或者通用洞洞板是不行的，因為這些板子尺寸很小，一個班級學生很多，坐在后面的學生很難看到現象。底板的選擇，可以選擇一款50cm*50cm的環氧板，底部用兩塊木條作為支撐，讓它能夠九十度直立在講臺上。0～260V的交流電源，電容，二極管，電阻都選擇的是電工電子實驗臺上面的接插件。在環氧板上打孔，把接插件插在孔里，然后用導線把各個元器件按照原理圖連接起來。最后在需要演示的1n4148二極管上并聯一個電壓表。電壓表可以選擇物理實驗室的電壓表，物理實驗室的電壓表清晰直觀，方便學生查看二極管兩端電壓值的變化。

2 二極管反向擊穿的演示教學

為了讓學生開動思維，我們可以提問學生，如果給二極管加一個反向電壓，二極管會有怎樣的現象？有的學生可能會說二極管會反向截止，有的學生可能會說二極管會擊穿。我們可以接著提問需要多大的電壓會把一個二極管擊穿呢？同學們可能會面面相覷，他們可能沒有考慮過這個問題。進而我們可以提問，同學們看過擊穿后的現象嗎？同學們大概會說沒有見過。這時，我們可以把準備好的演示道具拿出來，同學們顯然對接下來的實驗很感興趣。

實驗所選的二極管為1n4148，查閱資料知道，它的最大反向連續電壓為75V，75V會把二極管擊穿嗎？

實驗一：雪崩擊穿。把1n4148二極管反向接在直流電源上，觀察二極管兩端電壓的變化。調壓器的電壓從0V開始慢慢往上調，這時候，二極管是處于截止狀態的，所以它兩端的電壓跟著調壓器在慢慢升高。隨著電壓的升高，當二極管兩端的電壓到達75V時，我們可以停了下來，提問學生，二極管會擊穿嗎？學生們可能會比較茫然，因為資料上寫著75V會擊穿，但在75V時，二極管并沒有擊穿，這是怎么回事呢？我們可以繼續調高調壓器的電壓，看到二極管上的電壓達到了100V，隨著調壓器一點一點的調高輸出電壓，二極管上的電壓也開始了緩慢升高，同學們一般都會屏氣凝神，緊盯著電壓表的和二極管的變化。當電壓表的指針到達150V時，我們就會聽到二極管“嘭”的一聲，隨后火花燃起，這時我們要馬上關掉調壓器的輸出電壓，大家這時候都很清楚地看到，二極管被擊穿了，它的擊穿電壓為150V，是它最大反向連續電壓Urm的兩倍。

同樣的二極管，加上150V的反向電壓就一定會擊穿燒壞嗎？第二個問題拋出，雖然同學們不能肯定答案是什么，但他們的好奇心已被調動。

實驗二：齊納擊穿。把1n4148二極管與限流電阻相串聯后反向接在直流電源上，觀察二極管兩端電壓的變化。調壓器從0V開始慢慢往上調，二極管兩端的電壓隨著調壓器輸出電壓的增大而增大，二極管兩端電壓到達100V時上升速度放緩，當二極管兩端的電壓到達150V時，電壓已穩定，再調高調壓器，二極管兩端的電壓也保持在150V。這時候并沒有看到之前二極管爆破和火花的現象，那是怎么一回事呢？經過測量發現，多出的電壓加在了限流電阻上了，測量限流電阻上的電壓與二極管上150V的電壓相加，正好是直流電源的輸出電壓。然而這也是一種擊穿，叫做齊納擊穿，二極管達到了擊穿電壓，但沒有爆破，齊納擊穿是一種暫時性可恢復的電子現象。同時，這種接法，大家都看到了，能夠很好地穩定電壓，這就是一個簡易的穩壓電源。

通過兩個實驗，同學們能夠很直觀的看出二極管的兩種擊穿現象，跟隨著電壓一點一點的升高，二極管首先會經過一段截止區，然后進入擊穿區，這種曲線的走向，跟書本上二極管的特性曲線圖是完全一致的，而且擊穿電壓跟二極管的最大反向連續電壓Urm有關，實際上二極管真正擊穿的數值，是Urm的兩倍。同時，我們也看到了，雖然同為擊穿，雪崩擊穿和齊納擊穿之間還是有很大的區別的，利用齊納擊穿，我們能做一個簡易的穩壓二極管。

3 二極管演示教學反思

3.1 利用信息化教學手段

電類教學的演示實驗很多時候是沒有現成的工具的，需要教師根據每節課的內容特別制作，實際制作過程中會碰到書本上沒有講透的知識，對老師來說也是一個成長的過程。比如我在制作橋式整流電路后通電的一瞬間就爆炸過幾次，主要是濾波電容通電的一瞬間產生了過大的浪涌電流，燒壞了整流二極管；在制作演示架子的時候遇到沒有現成的板子可以直立在講臺上，所以需要量好尺寸從廢棄的木材上自己做一個合適的演示架。雖然演示教學的教學氛圍和效果很好，但制作一個教學道具費時費力，對于老師的精力是個挑戰，所以我們應該利用信息化教學，提高學生的學習興趣和專業素養。利用教學云平臺，微視頻，動畫仿真，穿插到學生的隨便時間中去，讓學生的專業興趣在一點一滴中提高。比如在上課之前，我們可以在云班課的網站上發布一段小視頻，普及一下二極管的反向特性，讓學生對于今天的演示教學有一個心里準備，課后還能再網站上布置作業，讓學生能夠利用空余時間完成，教師也能及時批改，隨時了解學生的掌握情況。

3.2 團隊合作教學

在演示教學的過程中，能夠運用團隊合作教學。學生掌握專業知識的能力不同，性格不同，讓他們在每節課上收獲的知識也不同，這時候應該利用團隊合作教學，讓他們能夠互幫互助，相互交流討論，取長補短，促進自己的學習。有些同學學的比較認真，但比較內向，課堂上很少發言，通過團隊合作學習，害怕發言的學生有更多的機會能夠發表自己的意見，在發言的過程中也是自己回顧與學習的過程，在這過程中還能發現自己的不足。理解比較慢的學生在團隊合作過程中收獲也能很大，對于知識的再一次理解，能夠有利于他們的掌握。良好的團隊合作學習，有利于他們耐心的培養，善于傾聽，更能夠理解別人，有利于他們課后同學之間的人際關系，增加他們畢業后對于整個社會的適應性。

3.3 增加學生之間的互動

學生是教學過程中的主體，教師只是一個引領者，起示范作用。這次演示教學過程中最大的遺憾是學生沒有過多的參與，只以觀察為主。起因是怕260伏的電壓過大，學生操作有一定的危險，故學生在這過程中只能觀察電壓表的變化。在演示教學中，我們應該增加師生間的互動，可以制作一個表格，記錄當電源發生變化時，二極管上的電壓為多少，二極管的狀態是什么，而不是看過一個有趣的實驗，有一個泛泛的感覺，卻沒有深刻的理論支撐。為了能夠讓學生更多的參與，我們要規范操作流程，讓學生上臺來控制電源的大小，培養學生對于強電的概念，讓學生養成良好的操作習慣，同時培養學生膽大心細的精神。畢竟演示教學，不僅僅是教師的演示、學生的觀看，更是學生能夠積極參與，鞏固理論知識，學習新的技能。