非线性元件伏安特性实验

更新时间：2023-11-05 05:03:01 阅读量：综合文库文档下载

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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：

R?UI

（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。

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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(LED)

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

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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λ与发光区域的半导体禁带宽度Eg有关，即

??1240/Eg(nm)

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3.26～1.63 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)的主要参数：

⑴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。

⑵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。

⑶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1.4～3V。

⑷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。

⑸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。

⑹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

⑺光谱分布和峰值波长：某一个LED所发的光并不是单一波长，其波长大体按图6所示。