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1、非线性元件伏安特性的测量【目的要求】1掌握非线性元件伏安特性的测量方法、基本电路。2掌握二极管、稳压二极管、发光二极管的基本特性。准确测量其正向导通阈值电压。3画出以上三种元件的伏安特性曲线。【实验仪器】非线性元件伏安特性实验仪。仪器由直流稳压电源、数字电压表、数字电流表、多圈可变电阻器、普通二极管、稳压二极管、发光二极管、钨丝灯泡等组成。【实验原理】1.伏安特性给一个元件通以直流电，用电压表测出元件两端的电压，用电流表测出通过元器件的电流。通常以电压为横坐标、电流为纵坐标，画出该元件电流和电压的关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。这种研究元件电学特性的方法称为伏安法。伏安特性曲线为直线的元件
2、称为线性元件，如电阻；伏安特性曲线为非直线的元件称为非线性元件， 如二极管、三极管等。伏安法的主要用途是测量研究线性和非线性元件的电特性。有些元件伏安特性除了与电压、电流有关，还与某一物理量的变化呈规律性变化，例如温度、光照度、磁场强度等，这就是各种物理量的传感元件，本实验不研究此类变化。 根据欧姆定律，电阻R、电压U、电流I,有如下关系： （1）由电压表和电流表的示值U和I计算可得到待测元件Rx的阻值。但非线性元件的R是一个变量，因此分析它的阻值必须指出其工作电压（或电流）。非线性元件的电阻有两种方法表示，一种称为静态电阻（或称为直流电阻），用RD表示；另一种称为动态电阻用rD表示，它等于工
3、作点附近的电压改变量与电流改变量之比。动态电阻可通过伏安曲线求出，如图1所示，图中Q点的静态电阻RD=UQ/IQ,动态电阻rD=dUQ/dIQ 图1动态电阻表示图测量伏安特性时，受电压表、电流表内阻接入影响会引入一定的系统误差，由于数字式电压表内阻很高、数字式电流表内阻很小 ，在测量低、中值电阻时引入系统误差较小，本实验将其忽略不计。2.半导体二极管 半导体二极管是一种常用的非线性元件,由P型、N型半导体材料制成PN结，经欧姆接触引出电极，封装而成。在电路中用图2(a)符号表示，两个电极分别为正极、负极。二极管的主要特点是单向导电性，其伏安特性曲线如图2(b)所示，其特点是：在正向电流或正向电
4、压较小时，电流较小，当正向电压加大到某一数值UD时，正向电流明显增大，将此段直线反向延长与横轴向交，交点UD称为正向导通阈值电压。正向导通后，锗管的正向电压降约为0.2-0.3V,硅管约为0.6-0.8V。在反向电压超过某一数值-Ub时，电流急剧增大，这种情况称为击穿，Ub为击穿电压。 二极管伏安特性曲线图 稳压管伏安特性曲线图二极管的主要参数：最大整流电流If,即二极管正常工作时允许通过的最大正向平均电流；最大反向电压Ub,一般为反向击穿电压的一半。由于二极管具有单向导电性，它在电子电路中得到了广泛应用，常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。3.稳压二极管稳压二极管
5、是一种特殊的硅二极管,表示符号如图3(a);其伏安特性曲线如图3(b)，在反向击穿区一个很宽的电流区间，伏安曲线徒直，此直线反向与横轴相交于Uw。与一般二极管不同，普通二极管击穿后电流急剧增大，电流超过极限值-Is，二极管被烧毁。稳压二极管的反向击穿是可逆的，去掉反向电压，稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，稳压管同样会因热击穿而烧毁。故正常工作时要根据稳压二极管的允许工作电流来设定其工作电流 。稳压管常用在稳压、恒流等电路中。稳压管的主要参数：稳定电压Uw、动态电阻rD(rD 越小,稳压性能越好）、最小稳压电流Imin、最大稳压电流Imax、最大耗散功率Pmax。4.发光二极管(L
6、ED)发光二极管是由III、V族化合物如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaASP（磷砷化镓）等半导体材料制成的，其核心是PN结。因此它具有一般PN结的伏安特性，即正向导通、反向截止、击穿特性。LED的表示符号如图4（a），其主要是它具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域形成少数载流子，此时进入P区的电子和P区的空穴复合，进入N区的空穴和N区的电子复合，并以发光的形式辐射出多余的能量，这就是LED工作的基本原理，如图4（b）所示。 图4（a）LED的表示符号图 图4(b) LED工作的基本原理图假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直
7、接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，但每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以发光仅在靠近PN结面数微米内产生。理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体禁带宽度Eg有关，即式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生的可见光波长在380nm(紫光)780nm(红光），半导体材料的Eg应在3.261.63 eV之间，目前已有红外、红、黄、绿、白、蓝光等发光二极管。发光二极管(LED)的主
8、要参数：最大正向电流IFm：允许加的最大正向直流电流，超过此值LED损坏。正向工作电流IF：指LED正常发光时的正向电流值，在实际使用中应根据亮度需要选择IF在0.6IFm以下。正向工作电压VF:参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下测得的，一般是在IF=20mA时测得的，VF在1.43V。最大反向电压VRm：允许加的最大反向电压，超过此值LED可能被击穿损坏。允许功耗Pm: 允许加在LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值LED发热损坏。伏安特性：LED的电压与电流的关系可用图5表示。 图5 LED的电压与电流的关系图光谱分布和峰值波长：某一个LED所发的光并不是单一波
9、长，其波长大体按图6所示。 0 波长（nm）图6光谱分布和峰值波长图由图可见该LED所发之光中某一波长0的光强最大，该波长为峰值波长。光谱半宽度：它表示LED的光谱纯度，是指图6中1/2峰值光强所对应两波长之间隔。 *发光强度IV、半值角1/2和视角等指标也很重要，但本实验不作研究。【实验内容】实验1.测量普通二极管的正向伏安特性实验 图7二极管的正向伏安特性测量原理图测量二极管正向特性时，电压从最小开始调节，观察正向电流，当开始有正向电流时，即很慢地用分压调节微调电压，正向电流达到10mA时实验结束。记录I-U关系数据，在作图纸上描出正向伏安特性曲线。 实验2.测量稳压二极管的正向、反向伏安
10、特性实验图8(a)测稳压管正向特性电路图 图8（b）测稳压管反向特性电路图测正向特性时，电压从最小开始调节（分压调节调至最小），观察正向电流，当开始有正向电流时即用分压调节微调电压，正向电流达到10mA时结束。在作图纸上描出正向伏安特性曲线。测反向击穿特性（稳压特性）时，只要将待测稳压二极管2端连线对换（反接）即可，测出反向电流与反向电压的关系，直至反向电流达10mA时停止测量，用外推法求截距，得到稳压二极管的反向击穿电压（稳定电压）。并用伏安法求出稳压二极管的动态电阻，说明动态电阻的大小对稳压特性的影响。在作图纸上描出反向伏安特性曲线。实验3. 测量发光二极管的正向伏安特性图9为发光二极管测
11、量原理图发光二极管的正向伏安特性与一般二极管相似，它的导通电压即为发光二极管的点亮电压。由与它的峰值波长与半导体材料禁带宽度Eg有关，故不同材料制成的发光二极管会发出不同峰值波长的光，且导通电压也会因半导体材料禁带宽度不同而不同。本实验提供红色发光二极管，测出它的导通电压，并根据导通电压估算出它的峰值波长。测正向特性时，电压从最小开始调节（分压调节调至最小），观察正向电流，当开始有正向电流时即用分压调节微调电压，记下它们导通电压（点亮电压），正向电流达到10mA时结束(正向电流最大不能超过20mA，否则LED可能烧坏)。 【研究性实验】（选做）研究钨丝灯泡的非线性特征，测量钨丝灯泡的伏安特性。
12、*测量钨丝灯泡的伏安特性时需将测量电路中2个100的保护电阻（R1;R2）用导线短接。钨丝灯泡的工作原理是:当电流流过钨丝时,钨丝有一定的电阻会发热而发光,在工作时灯丝处于高温状态,其灯丝电阻阻值随着温度升高而增大。通过灯丝的电流越大，其温度越高，阻值也越大。其伏安特性曲线不呈直线，故钨丝灯泡属非线性元件。在一定的电流范围内，钨丝灯泡的电压与电流的关系为式中K和n是与钨丝灯泡有关的系数实验要求：1测量钨丝灯泡的伏安特性。2验证上式,求系数K和n。3求室温时灯泡钨丝的电阻(提示:作钨丝电阻R于通过电流I的关系图，求I=0时钨丝的电阻R室温【思考题】1. 什么是静态电阻和动态电阻，说明二者区别？2. PN结正向伏安特性曲线的函数形式可能是什么类型？写出其标准形式。从实验数据求出二极管（PN结）I-U关系的经验公式。- 6 -
