半导体二极管特性的研究

研究半导体二极管在直流电路和交流电路中的不同特点。

实验仿真元件及其对应名称见表6-1-1。

表6-1-1　实验仿真元件及其对应名称

将半导体PN结用金属外壳封装起来，并加上电极引线，就构成了半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为阳极，由N区引出的电极为阴极。二极管具有单向导电性。

二极管常见外形如图6-1-1所示。

图6-1-1　二极管常见外形

模拟电路仿真时常用虚拟示波器，图6-1-2所示为模拟电路仿真常用虚拟示波器的界面图。

图6-1-2　模拟电路仿真常用虚拟示波器界面

待测的正弦波电压信号从A通道（黄色）输入，其电压量程如图6-1-3所示。图中大的三角箭头指示的是电压粗调挡级的刻度，小的三角箭头指示的是电压细调挡级的刻度，电压读数从数字显示格中显示为0.2V/格。在示波器波形显示屏中，读得正弦波的峰-峰电压占有10格，说明输入正弦波电压的峰-峰值为2V。

图6-1-3　电压量程

待测的正弦波电压信号的时间量程如图6-1-4所示。图中大的三角箭头指示的是时间粗调挡级，小的三角箭头指示的是时间细调挡级，时间读数从数字显示格中显示为0.2ms/格。在示波器波形显示屏中，正弦波变化一次所需要的时间为5格，说明输入正弦波电压变化一次所需要的时间为1ms，则该正弦波变化的频率为1kHz。

图6-1-4　时间量程

若需要得到正弦波波形上任何一点的精确读数，点击（移动光标）按钮，则移动光标就显示在示波器波形显示屏中，如图6-1-5所示。

图6-1-5　示波器波形显示屏

图中正弦波正的最大值距离坐标中心的时间为270.00μs，说明正弦波电压变化一次所需要的时间约为1ms，即波形变化的频率为1kHz。正弦波电压的峰值为1.00V，说明输入正弦波电压的峰-峰值为2V。

信号发生器输出电压信号的界面设置如图6-1-6所示。

图6-1-6　信号发生器输出电压信号的界面设置

图6-1-7表示信号发生器所输出的电压信号频率的直读数。从数字显示格中显示读数为1kHz。图6-1-8表示信号发生器所输出的电压信号频率量程的挡级，为0.1kHz挡。

图6-1-9表示信号发生器所输出的电压信号峰-峰值的直读数。从数字显示格中显示读数为2.00V。图6-1-10表示信号发生器所输出的电压信号峰-峰值量程的挡级，为1V挡。

二极管静态电压和动态电压测试的仿真电路如图6-1-11所示。

（a）二极管静态电压和动态电压测试的仿真电路

（b）二极管输入-输出交流电压波形

图6-1-11　二极管静态电压和动态电压测试的仿真电路

因为只有在正弦交流低频小信号作用下二极管才能等效成一个电阻，所以，图中正弦交流信号的频率为1kHz、电压大小为10mV（峰-峰值）。由于交流信号很小，输出电压不失真，故可以认为直流电压表（电压的有效值）的读数就是电阻上的直流电压值。

首先，在直流电流不同时研究二极管管压降的变化。利用直流电压表测电阻上电压，从而得到二极管管压降。其次，在直流电流不同时研究二极管交流等效电阻的变化。利用示波器测得电阻上交流电压的峰-峰值，从而得到二极管交流电压的峰-峰值。

（1）点击拾取元器件的按钮，单击按钮，输入所需的元件名或型号，并将各元件拖动至编辑窗口。

图6-1-12　放置元器件后的界面

（4）用导线将各个元器件及测量仪表按照图6-1-11a连接起来。注意，一定要点击连接，不能将两个元件的触点放在一起，此时电路仍是不通的。

（5）双击或右键单击元件，选择“Edit Properties”（编辑属性）选项，修改所需元件的参数。

（6）右键点击信号发生器，选择“VSM Signal Generator”（信号发生器），弹出信号调整对话框，调整输出电压的幅值和频率，幅值大小见表6-1-2中的交流信号峰-峰值U2，并将信号频率调整为1kHz。

（7）右键点击示波器，选择“Digital Oscilloscope”（数字示波器），弹出波形框，选择调整相应的挡值等。

（8）点击编辑界面左下角的仿真运行按钮，仿真电路开始运行。

将仿真结果填入表6-1-2中，并与理论值比较。

表6-1-2　二极管静态电压和动态电压测试的仿真数据

（1）注意二极管型号的选取及二极管正负极性的连接。

（2）改变直流稳压电源的输出，注意观察各个被测数值的变化。

（3）比较直流电源在1V和4V两种情况下二极管的直流管压降可知，二极管的直流电流越大，管压降越大，直流管压降不是常量。

（4）比较直流电源在1V和4V两种情况下二极管的交流管压降可知，二极管的直流电流越大，其交流管压降越小。说明随着静态电流的增大，动态电阻将减小；两种情况下电阻的交流压降均接近输入交流电压值，说明二极管的动态电阻很小。