數(shù)字萬用表測量二極管導(dǎo)通壓降的溫度特性

張德根

皖西學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，安徽 六安 237000

數(shù)字萬用表測量二極管導(dǎo)通壓降的溫度特性

張德根

皖西學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，安徽 六安 237000

采用數(shù)字萬用表的“二極管測量”檔，對兩種型號的二極管導(dǎo)通壓降的溫度特性進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)方法簡便、操作簡單，并準(zhǔn)確地測定導(dǎo)通壓降的溫度特性。

數(shù)字萬用表；導(dǎo)通壓降；負(fù)溫度系數(shù)

digital multimeter; voltage drop; negative temperature coefficient

引言

二極管正向?qū)ê?，它的正向壓降基本保持不變（硅管?.7V，鍺管為0.3V）。在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負(fù)極接在低電位端，二極管就會導(dǎo)通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V）以后，二極管才能真正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。

早在六十年代初，人們就試圖用PN結(jié)正向壓降隨溫度升高而降低的特性作為測溫元件，由于當(dāng)時PN結(jié)的參數(shù)不穩(wěn)定，始終未能進(jìn)入實(shí)用階段。隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高以及人們不斷地探索，到七十年代時，PN結(jié)以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的晶體管溫度傳感器，已成為一種新的測溫技術(shù)躋身各個應(yīng)用領(lǐng)域了。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，對PN結(jié)的溫度特性大多采取恒流源法測量，本實(shí)驗(yàn)用數(shù)字萬用表測量二極管導(dǎo)通壓降的溫度特性。目前數(shù)字式萬用表性能好，測量靈敏度高，便于攜帶，使用方便。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 用數(shù)字萬用表測二極管導(dǎo)通壓降

數(shù)字萬用表二極管檔開路電壓約為2.8V，紅表筆接正，黑表筆接負(fù)，測量時提供電流約為1mA，顯示值為二極管正向壓降近似值，單位是mV或V。硅二極管正向?qū)▔航导s為0.5V～0.8V。鍺二極管鍺正向?qū)▔航导s為0.1V～0.3V。并且功率大一些的二極管正向壓降要小一些。如果測量值小于0.1V，說明二極管擊穿，此時正反向都導(dǎo)通。如果正反向均開路說明二極管PN結(jié)開路。對于發(fā)光二極管，正向測量時二極管發(fā)光，管壓降約1.7V左右。

1.2 PN結(jié)的溫度特性

理想PN結(jié)的正向電流IF、反向飽和電流IS和正向壓降uF存在如下近似關(guān)系：

其中：e為電子電荷，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。Is與PN結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度等有關(guān)，其表達(dá)式如下：

式中：A，B是與面積、摻雜濃度有關(guān)的常數(shù)；ug0為絕對零度時PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)碾妱莶睿ń麕挾龋?。將式?）代入式（1），且兩邊取對數(shù)可得

綜上所述，在恒流供電的條件下，即IF為常量，PN結(jié)的uF對T的關(guān)系取決于線性項u1，從式（4）中可看出正向壓降幾乎隨溫度的升高而線性下降，這就是PN結(jié)測溫的理論依據(jù)。通過數(shù)字萬用表的“二極管測量”檔，對二極管的導(dǎo)通壓降的測量，并結(jié)合PN結(jié)的溫度特性，可以很方便地測出PN結(jié)導(dǎo)通壓降的溫度特性。

2 實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)所需儀器有：數(shù)字萬用表、兩種型號的二極管、干井恒溫器、連接導(dǎo)線等。將待測二極管放入加熱器中，焊接兩根導(dǎo)線，連接數(shù)字萬用表的紅黑表筆，萬用表置于“二極管測量”檔，設(shè)置干井恒溫器加熱溫度，最后對二極管進(jìn)行加熱。實(shí)驗(yàn)記錄溫度范圍為17℃～67℃，每升高1℃從數(shù)字萬用表讀出二極管導(dǎo)通電壓值。數(shù)據(jù)記錄如表1：

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 PN結(jié)導(dǎo)通壓降的溫度特性

本實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字萬用表“二極管測量”檔法測量二極管導(dǎo)通壓降的溫度特性，與以往采取恒流源法測量相比較，不需要外接電路，不需要其他測量儀器，如電流表和電壓表等，直接就可以從數(shù)字萬用表觀察到二極管導(dǎo)通電壓隨溫度的變化關(guān)系。如圖1所示得到兩個二極管導(dǎo)通壓降的溫度特性，得出經(jīng)過origin線性擬合后直線方程為：uF1=0.54158-0.00219t；uF2=0.76238-0.00167t。從兩方程中可知，二極管導(dǎo)通壓降隨溫度的升高幾乎呈直線下降，這結(jié)果與PN結(jié)溫度傳感器基本方程的理論是相吻合的，且溫度每升高1℃二極管的壓降下降2.19mV和1.67mV，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出二極管的負(fù)溫度系數(shù)。

[1]王水成.數(shù)字萬用表二極管檔測試原理與使用方法[J].電子儀器儀表用戶，1999，06：36～39.

[2]黃宏緯.應(yīng)用計算機(jī)測定PN結(jié)正向壓降的溫度特性[J].物理實(shí)驗(yàn)，2006,26（10）：18～19.

[3]陳水橋.PN結(jié)正向壓降溫度特性的研究和應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn)，2000,20（7）：7～9.

Using digital multimeter to measure the temperature characteristics of the diode voltage drop

Zhang Degen
The center of basic experiment, West Anhui University, Luan Anhui 237000

By the “diode measurement” stall of digital multimeter, the temperature characteristics of the two types of diode voltage drop were measured, the experimental method was simple, easy, and the measurement results of temperature characteristics of the diode voltage drop were accurate.

O433

A

張德根（1984-），男，安徽六安人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.053