700221非线性元件伏安特性的测量（实验21）

《⾮线性元件伏安特性的测量》实验报告【⼀】实验⽬的及实验仪器

实验⽬的 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征，准确测量其正向导通法阀值电压。

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。【⼆】实验原理及过程简述⼀．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，这种研究元件特性的⽅法称为伏安法伏安特，特性曲线为直线的元件为线性元件，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，磁场强度的，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=U/I （4-21-1）

由电压表和电流表的⽰值U和I计算和得到待测元件R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流（或电压）。⾮线性元件的与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4-21-1所⽰，图中Q点的静态电阻RD =UQ/IQ,动态电阻RD =dUq/dIQ.

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、中组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，⽤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4-21-2（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4-21-2（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据与UD

时，正向电压明显增⼤，将此段直线反向延长与横轴相交，交点UD

称为正向导通阀值电压。正向导通后，锗管的正向电压降为0.2-0.3V，硅管为0.6-0.60V。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

稳压⼆极管是⼀种特殊的硅⼆极管，表⽰符号如图4-21-3(a)所⽰，其伏安特性曲线如图4-21-3(b)所⽰。在反向击穿区域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

。有⼀般⼆极管不同，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。

3.发光⼆极管（LED）

发光⼆极管是由三、四族化合物如GaAs、GaP、GAsP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4-21-4(a)所⽰，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截流⼦，此时进⼊P区的电⼦和N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的⼯作的基本原理，如图4-21–4(b)所⽰。

⼆、实验过程

1.测量普通⼆极管的正向伏安特性

测量⼆极管正向特性时，电压从最⼩开始调节，观察正向电流刚开始有正向电流时，即很慢的⽤分压调节微调电压，正向电流达到10mA实验结束，记录I–U关系数据，在做图纸上描出正向伏安特性曲线。2.测量稳压⼆极管的正向、反向伏安特性

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急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端连线对换即可。测出反向电流与反向电压的关系，直⾄反向电流达⼗mA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，⽤伏安法求出稳压⼆极管的动态电阻，说明动态电阻⼤⼩对稳压特性影响，在做图纸上描出反向伏安特性曲线。

3.测量发光⼆极管的正向伏安特性

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，由于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分峰值波长的光，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，观察正向电流，当开始有正向电流时急⽤分压调节微调电压，记下她们的导通电压，正向电流达到10mA时结束。【三】实验数据处理：

1.根据实验数据，绘制出三条曲线，分别是：

【四】结果表达及误差分析：实验结论

元件的伏安特性曲线如图。普通⼆极管与发光⼆极管⾮线性体现在加正向电压后电流先是随电压增⼤缓慢上升，超过开启电压后电流先是随电压增⼤迅速上升。稳压管则是反向电流⼤于某⼀值之后电流增⼤电压基本不变，体现出其稳压的作⽤。误差分析

1.存在接触不良问题；

2.读数不准确；【五】思考题：

1.什么是静态电阻和动态电阻？说明两者的区别。

2.PN结正向伏安特性曲线的函数形式可能是什么类型？从实验数据求出⼆极管（PN结）I-U关系的经验⽅程。答：

1.静态电阻为某⼯作点导体（或半导体）两端的电压与通过导体（或半导体）

的电流的⽐值，它表⽰导体（或半导体）对电流的阻碍作⽤。动态电阻表⽰导体（或半导体）两端的电压随电流变化的快慢或趋势。

2.理想PN结正向伏安特性曲线就是个标准的指数函数，底为e，经验⽅程：I = 4E-06e21.578U 。