半导体⼆极管特性测试

实验日期：2023/9/26

地点：东3-406

实验目的

掌握半导体⼆极管特性测试
学习MULTISIM电路仿真软件的使⽤
进⼀步熟悉电⼦仪器的使⽤

基本实验内容

实验器材

万用表（HY63）
ADCL-I模拟数字电子技术实验箱中的半导体二极管【1N4007的整流二极管，5V/1W的稳压二极管】
连接线
示波器（1000 X-Series）
信号源（ SDG2000X）

实验方案

本实验首先掌握判断二极管好坏的方法。接着采用三种方法绘制二极管VA特性曲线。具体流程如下：

⽤万⽤表粗略判别⼆极管好坏。
采⽤逐点测量法测量⼆极管的VA特性。
采⽤扫描测量法测量⼆极管的VA特性，并双踪观察信号源与⼆极管两端电压（注意其击穿值）。

采⽤扫描测量法测量稳压管的VA特性，并双踪观察信号源与⼆极管两端电压（注意其击穿值）。

应⽤MULTISIM软件仿真⼆极管的VA特性。

实验一：应⽤万⽤表初步测试⼆极管的好坏

测试过程与结果

认识万用表测量二极管档

截屏2023-09-27 18.45.41 截屏2023-09-27 18.47.04

将黑表笔插入COM口，红表笔插入二极管测试对应二极管测试插口，并将档位调至二极管测量档位。由于蜂鸣器档位和二极管是同一档位，点按左上角Select按钮，切换至二极管档位。
将万用表红表笔接入1N4007正级，黑色接负极，此时万用表显示二极管导通电压。如下图所示，测得1N4007的正向导通电压约为0.568V。

将红黑表笔交换，测量方向电压，如下图所示，显示OL，超出量程。

利用相同方法测量稳压二极管，得到相似结果

结果分析

首先通过万用表可以很好地对二极管进行检测，如检验其是否被击穿。同时可以看到，在同样的测量条件下，稳压二极管比整流二极管正向导通电压要高。可以与课上所给的VA特性曲线相联系，万用表所提供的电压为三伏，稳压二极管导通后，电压将保持0.7V左右，而整流二极管的曲线类似于大电阻，因而万用表显示的电压值在0.568V。

实验二：逐点法测量二极管VA特性曲线

实验方案

采用以下电路，利用欧姆定律对二极管在每一点电压下的阻值进行测量。最后利用excel对数据进行处理，绘制曲线。

截屏2023-10-02 12.43.34

由于万用表的安培表阻值在该测试条件下（mA级别），视为短路；而相反，电压表的阻值足够大，可以视为开路，所以实验中只使用电压表来进行测量，将电压表并联在R~1~两端。并且利用电压源的示数，通过计算得出二极管两端电压与电流。

测试过程与结果

连接电路，并将电压源输出值调为0。

将万用表并联在电阻两端，测得电压示数。将此示数和电压源示数，一起记录到excel表格中。
逐渐增大电压源输出电压，并重复步骤2。
使用excel处理数据，并且绘制曲线，在变化较为剧烈处，增加多组数据测量，从而得到更为光滑、准确的曲线。

数据处理与分析

电压源输出电压（V）	R1两端电压（V）	二极管两端电压（=A#-B#）	电流（=B#/1000）
0	0	0	0
0.3	0.0014	0.2986	0.0000014
0.403	0.0134	0.3896	0.0000134
0.452	0.0302	0.4218	0.0000302
0.502	0.0554	0.4466	0.0000554
0.55	0.085	0.465	0.000085
0.602	0.1209	0.4811	0.0001209
0.703	0.1979	0.5051	0.0001979
0.803	0.281	0.522	0.000281
0.903	0.3678	0.5352	0.0003678
1.102	0.5481	0.5539	0.0005481
1.202	0.645	0.557	0.000645
1.3	0.739	0.561	0.000739
1.551	0.976	0.575	0.000976
1.751	1.169	0.582	0.001169
1.851	1.265	0.586	0.001265
1.951	1.362	0.589	0.001362
2.151	1.557	0.594	0.001557
2.451	1.851	0.6	0.001851
2.751	2.147	0.604	0.002147
2.951	2.344	0.607	0.002344
3.551	2.938	0.613	0.002938
4.551	3.931	0.62	0.003931
5.551	4.928	0.623	0.004928
7.65	7.02	0.63	0.00702
9.55	8.92	0.63	0.00892
11.049	10.42	0.629	0.01042

截屏2023-10-02 12.56.02

实验三：扫描法测量二极管VA特性曲线

实验方案

将电路连接成下图所示。由于信号源与示波器的接地设置，装置只能设置为如图所示，所有的接地线应该连接在一起。
并将信号源设置为1kHz，10Vp的锯齿波。通过信号源的XY显示，展示VA特性曲线直观样式。由于\(U_{diode}=U_{ch1}-U_{ch2},I_{diode}=\dfrac{U_{ch1}}{51Ω}\)，因此，XY曲线一定程度上反映了最终结果的图线。
后通过matlab等数据处理，生成正确的曲线。

截屏2023-10-02 15.33.04

测试过程与结果

连接电路（二极管选择1N4007整流二极管，电阻选择51Ω），调节信号源、示波器，观察图样。
利用示波器的USB接口，将图样信息和数据保存。
利用Matlab处理信息，生成图像。

Matlab代码如下：

Matlab
% 读取数据
data = readmatrix('./Lab2/数据/111.csv');

% 获取vd和id列
v1 = data(:, 2);
v2= data(:, 3);
vd=v1-v2;
id=v2/51*1000;
plot(vd, id);

%生成平滑曲线
smoothed_vd = smooth(vd, 0.1, 'loess'); 
smoothed_id = smooth(id, 0.1, 'loess');
hold on;
plot(smoothed_vd, smoothed_id, 'b-', 'LineWidth', 0.2);
legend('原始数据', '光滑曲线');
xlabel('电压（V）');
ylabel('电流（mA）');
legend('实验数据','VA特性曲线');

将二极管更换为稳压二极管，重复上述步骤。

结果分析

整流二极管

观察到以下几个特殊的地方：

截止时，电流不完全为0，由于R~1~两端存在一个非常小的电压，该曲线在截止部分的电流不为0。
该曲线在导通与截止部分，存在两条曲线，上面那条曲线一般认为是理想情况下的VA特性曲线。而下面那条曲线说明，二极管存在一个反向的电流。再经过数据分析可知，在截止与导通部分，当二极管两端电压逐渐增大时，即由截止切换到导通模式时，电流增大；而当电压减小时，即由导通切换为截止模式时，存在一个反向电流。后经过资料查询可知，二极管存在一个特性：

二极管方向恢复电流（Reverse Recovery Current） 在二极管由导通状态转变为截止状态时，电流反向流动的现象。当二极管从正向导通状态切换到反向截止状态时，载流子需要一定时间来清除。在这个短暂的时间内，二极管中的电流会反向流动，这就是方向恢复电流。方向恢复电流的大小和持续时间取决于二极管的特性和工作条件。

稳压二极管

可以观察到，稳压二极管的截止电压约为5.2V左右，与标称的5V/1W相匹配，同时可以观察到，稳压二极管相比于整流二极管，在两端电压增大的情况下，能保持一个较为稳定的电压值，约为0.76V左右。

实验三：仿真⼆极管的VA特性

实验方案

利用Multisim平台搭建电路，利用扫描法绘制二极管曲线。

Multisim平台一定需要一个接地端，同时示波器的接地端并不影响电路中的电位，因而实验电路如下：

示波器A接口为二极管两端电压，B接口为R1两端电压。利用示波器的B/A按钮，定性地显示VA特性曲线，再利用Matlab处理输出的数据。

测试过程与结果

打开Multisim平台，选择器件，并将器件连接为上图所示。
双击信号源和示波器，将信号源调为1kHz每秒，振幅分别为1V和700V，示波器视图为B/A。
打开图像视图，导出图像为csv格式。
利用Matlab处理csv中的数据。

根据不同曲线的特点，采用了以下两种方式进行数据拟合：

1V，没有为负数的点，因而采用了指数的拟合方式

Matlab
data = readmatrix('./Lab2/数据/1V.csv');
vd = data(:, 1);
vr = data(:, 2);
id = vr * 0.1;

% 使用fit函数进行数据拟合
fitType = fittype('a * exp(b * x)'); % 选择适当的拟合函数
fitOptions = fitoptions('Method', 'NonlinearLeastSquares'); % 选择拟合方法
fitOptions.StartPoint = [1, -0.1]; % 初始拟合参数猜测

% 进行数据拟合
fitResult = fit(vd, id, fitType, fitOptions);

% 绘制拟合曲线
plot(fitResult,vd, id);
xlabel('电压（V）');
ylabel('电流（mA）');
legend('VA特性曲线');

700V，由于数据点非常多，直接输出即位较光滑的曲线

Matlab
% 读取数据
data = readmatrix('./Lab2/数据/700V_2.csv');

% 获取vd和id列
v1 = data(:, 1);
v2= data(:, 2);
vd=v1;
id=v2*0.1;
plot(vd, id);
xlabel('电压（V）');
ylabel('电流（mA）');
legend('实验数据','VA特性曲线');