伏安法测二极管方法及数据处理研究

李维银　张永莉　张莎　海莲

摘 要：文章采用DH6101伏安特性仪和电化学工作站两种平台测试了1N4007和2AP10二极管的伏安特性，用Origin软件绘制了I-V曲线图，实验结果表明，采用DH6101平台测试不能实时绘制I-V曲线图，而采用电化学工作站能实时绘制I-V曲线图，直观地观察二极管的伏安特性。利用Origin软件绘图降低了绘图误差，提高了实验数据处理的效果。同时，本次实验中利用Origin软件拟合了高斯曲线，拟合优度很高。

关键词：伏安法；2AP10；1N4007；电化学工作站；Origin软件

电子元件中，二极管是一种只允许电流由单一方向流过的两个电极的装置，具有整流功能[1]，被广泛应用于各种交流变直流的整流电路中。搞清楚二极管的特性尤为重要，在大学物理实验中，通常利用电流表和电压表测量二极管的伏安特性。实验过程中，受到实验仪器、环境、实验条件等因素的限制，必然会出现一定的误差，影响测量结果的精确度[2]。目前，实验过程中，二极管I-V曲线不能实时绘制，不利用学生及时观察它们的特性。电化学工作站测量I-V曲线时，避免了这个缺点。随着计算机普遍使用，利用计算机绘制二极管伏安特性曲线成为可能，这样有利于提高学生实验能力的同时，提高实验数据处理的能力。Origin是一种专业的绘图和数据处理软件，在实验数据处理方面有广泛的应用[3-5]。本文利用实验DH6101伏安特性仪和电化学工作站分别测试了1N4007和2AP10两种二极管的伏安特性，用Origin软件绘制并拟合了I-V曲线图。

1 实验原理与方法

在DH6101伏安特性仪实验平台上，伏安法测二极管2AP10和1N4007伏安特性采用电流表内接法和电流表外接法，电路示意如图1所示。电源电压在0～10 V内调节。通过对这两种方法电路图分析，发现这两种实验方法都会存在误差，其主要来源于电表内阻接入电路而引起。在电流表外接实验中，电压表和电流的读数分别是U和I时，由于电压表内阻会进行分流，这样实际通过二极管的电流I'是小于I，它们之间满足下面的关系式[6]：

利用电化学工作站CHI660E中循环伏安法对二极管1N4007和2AP10分别测试了它们的伏安特性，将对极和参比电极同时夹在二极管的一端，将工作电极夹在二极管的另一端，此时二极管构成模拟电解池。初始电位和高电位都设为1.0 V，低电位设在1.0 V，灵敏度设在1.0e～003A/V。

2 数据分析与讨论

利用DH6101伏安特性仪测二极管1N4007和2AP10伏安特性曲线如图2所示。可以看出，当二极管1N4007和2AP10正向电压分别小于它们的“死区电压”时，二极管基本不导电，其电阻极大；当正向电压大于它们的“死区电压”时，其电阻较小。電流表内、外接法中，二极管1N4007的正向降压都约为0.6 V，与实验平台中给出值（硅二极管0.7 V左右）一致，电流表内接法二极管导通后，电流没有迅速增长，而电流表外接法二极管随着电压增大急剧增加，因此，电流表外接法更符合测二极管1N4007的正向伏安特性。二极管2AP10在电流表内接法中，正向降压约为0.6 V，大于实验平台中给出值（锗二极管0.2 V左右），而在电流表外接法中，正向降压约为0.3 V，与实验平台中给出值一致，电流表内接法二极管导通后，电流随着电压增加增长速度过慢，而电流表外接法二极管随着电压增大也急剧增加，对于二极管2AP10，电流表外接法也比较符合测它的正向伏安特性。总之，通过电流表内、外接法测二极管正向伏安特性实验比较，可知电流表外接法更符合测它们的正向伏安特性，符合大多数物理实验教科书。

在图2中，同时给出了高斯拟合曲线。高斯拟合是利用Origin软件进行拟合，拟合光谱线型满足下列关系式：

（3）

其中，y0是基线，A为峰面积，w为峰的半高宽，xc为峰的位置。利用Origin软件拟合二极管1N4007和2AP10伏安曲线的拟合优度（R2）如表1所示，总体上拟合曲线与测量值拟合程度比较好，相比之下，内接法拟合程度比较好。

利用电化学工作站CHI660E测二极管1N4007和2AP10伏安特性曲线如图3所示。二极管1N4007的正向降压约为0.5 V，与DH6101伏安特性仪测测量数值接近，但略小于实验平台中给出值（硅二极管0.7 V左右），二极管导通后，电流随着电压增大急剧增加。二极管2AP10的正向降压约为0.35 V，与DH6101伏安特性仪测测量数值接近，略大于实验平台中给出值（锗二极管0.2 V左右），二极管导通后，电流随着电压增大也急剧增加。图3中同样对这两条曲线做了高斯拟合，发现它们的拟合度很高（见表1）。

对比这两种伏安特性曲线测试平台，可以发现，采用DH6101平台测试不能实时绘制I-V曲线图，而采用电化学工作站能实时绘制I-V曲线图，直观地观察二极管的伏安特性。在实验数据处理阶段，相比手工绘图，利用Origin软件绘图降低了绘图误差，提高了实验数据处理的效果。同时，利用Origin软件还可以拟合曲线，本次实验中利用Origin软件拟合了高斯曲线，拟合优度很高。

3 结语

本文利用实验DH6101伏安特性仪和电化学工作站分别测试了1N4007和2AP10两种二极管的伏安特性。在DH6101伏安特性仪平台上二极管1N4007在电流表内、外接法中的正向降压都约为0.6 V，与硅二极管（0.7 V左右）一致，二极管2AP10在电流表内接法中，正向降压约为0.6 V，大于锗二极管（0.2 V左右），而在电流表外接法中，正向降压约为0.3 V，与锗二极管一致。两种方法中，采用电流表外接法时，两种二极管电流都随着电压增大也急剧增加，更符合测它们的正向伏安特性。利用电化学工作站CHI660E测二极管1N4007和2AP10的正向降压分别约为0.5 V和0.35 V。利用Origin软件拟合二极管1N4007和2AP10伏安曲线发现，总体上拟合曲线与测量值拟合程度比较好，相比之下，内接法拟合程度比较好。