实验十五非线性元件伏安特性的测量 满足欧姆定律U=RI的电阻，若加在其两端的电压U与通过电阻的电流I成线性关系， 这种电阻叫线性电阻.但是很多器件的电压与电流不满足线性关系，这种电阻叫非线性电 阻.非线性元件的阻值用微分电阻表示，定义为 R=du (1) dl 它表示电压随电流的变化率，又叫动态电阻或特性电阻.这个定义是电阻的普遍定义· 非线性电阻伏安特性总是与一定的物理过程相联系，如发热、发光、能级跃迁等.江 崎玲於奈等人因研究与隧道二极管负电阻有关的隧穿现象而获得1973年的诺贝尔物理学 奖 【实验目的】 1.学习测量非线形元件的伏安特性，针对所给各种非线性元件的特点，选择一定的实 验方法，选用配套的实验仪器，测绘出它们的伏安特性曲线： 2.学习从实验曲线获取有关信息的方法. 【实验原理】 要测量各非线性元件的伏安特性曲线，一定要了解各非线性元件的特性，才能选择正 确的实验方法，合适的监测电路，得出正确的实验结论.常用的非线性元件有：检波二极 管、整流二极管、稳压二极管和发伏安特性曲线，这些二极管都具有单向导电作用，但工 作方式方法是不一样的，整个伏安特性曲线如图1所示. 导通区 截止区 开启电压 击穿区 图1二极管的伏安特性曲线 -90-
- 90 - 实验十五 非线性元件伏安特性的测量 满足欧姆定律U = RI 的电阻，若加在其两端的电压U与通过电阻的电流I成线性关系， 这种电阻叫线性电阻．但是很多器件的电压与电流不满足线性关系，这种电阻叫非线性电 阻．非线性元件的阻值用微分电阻表示，定义为 dI dU R = （1） 它表示电压随电流的变化率，又叫动态电阻或特性电阻．这个定义是电阻的普遍定义． 非线性电阻伏安特性总是与一定的物理过程相联系，如发热、发光、能级跃迁等．江 崎玲於奈等人因研究与隧道二极管负电阻有关的隧穿现象而获得 1973 年的诺贝尔物理学 奖． 【实验目的】 1．学习测量非线形元件的伏安特性，针对所给各种非线性元件的特点，选择一定的实 验方法，选用配套的实验仪器，测绘出它们的伏安特性曲线； 2．学习从实验曲线获取有关信息的方法． 【实验原理】 要测量各非线性元件的伏安特性曲线，一定要了解各非线性元件的特性，才能选择正 确的实验方法，合适的监测电路，得出正确的实验结论．常用的非线性元件有：检波二极 管、整流二极管、稳压二极管和发伏安特性曲线，这些二极管都具有单向导电作用，但工 作方式方法是不一样的，整个伏安特性曲线如图 1 所示． 图 1 二极管的伏安特性曲线
1.检波和整流二极管 检波二极管和整流二极管都工作在1、4象限.第1象限区又称为正向工作区.当所加 的电压较低时，流通的电流很小，继续增加电压时，电流急剧上升，这个转折点对应的电 压称为二极管的开启电压，它与所用的半导体材料的禁带宽度有关.在常温下，一般为 02~07V.第4象限区又称为反向工作区，其特点是加一个相当高的电压时，电流会突然 增大，导致损坏，这种现象称为击穿.检波二极管和整流二极管工作范围不能超过击穿区· 检波二极管的PN结是针形接触，其特点是工作电流小，工作频率范围的宽，但反向 耐压低.整流二极管的PN结是面形接触，其特点是工作电流大，工作频率低，反向耐压 可达上千压.它们的共同特点是要求反向工作时流过的电流越小越好 2.稳压二极管 稳压二极管工作在第4象限.而且工作在击穿区.其特点是反向工作电压加到一定值 时，电流突然增大，在此基础上再加大电压时，电流的变化非常剧烈，这时稳压二极管承 受的功率急剧增大，若不加限流措施，PN结极易烧毁 3.发光二极管 发光二极管由半导体发光材料制成，工作在第1象限.要发的光的波长与材料的禁带 宽度E对应.根据量子力学原理E=eV=hv可知，对于可见光，开启电压V约在2~3V.当 加在发光二极管两端的电压小于开启电压时，发光二极管不会发光，也没有电流流过.电 压一旦超过开启电压，电流急剧上升，二极管处于导通状态并发光，此时电流与电压呈线 性关系，直线与电压坐标的交点可以认为是开启电压. 【实验仪器】 1.非线性元件：检波二极管，整流二极管和发光二极管(5种颜色). 2.电源与仪表：直流稳压电源(0~20V)、直流恒流电源(0~2mA,0~20mA), 数字万用表(2只) 【实验内容】 1.检波和整流二极管（选一种二极管） (1)检波二极管 正向伏安特性：测量电路见图2，最大正向电流I≤20mA,二极管两端电压V≤1.2V, 实验点不少于20个. 反向伏安特性：测量电路见图3，反向电压V≤20V,实验点不少于10个 (2)整流二极管 正向伏安特性：测量电路见图2，最大正向电流I≤20mA,二极管两端电压V≤1V, 实验点不少于20个. 反向伏安特性：测量电路见图3，反向电压V≤20V,实验点不少于10个. 2.稳压二极管 测量稳压二极管的反向伏安特性曲线.测量电路见图3，稳压二极管的最大反向电流小 于30mA,工作电压约为5V左右.实验点不得少于20个.并解释稳压管的工作原理，给 出工作电压.测量是注意电流不能超过30mA. 3.发光二极管 -91-
- 91 - 1．检波和整流二极管 检波二极管和整流二极管都工作在 1、4 象限．第 1 象限区又称为正向工作区．当所加 的电压较低时，流通的电流很小，继续增加电压时，电流急剧上升．这个转折点对应的电 压称为二极管的开启电压，它与所用的半导体材料的禁带宽度有关．在常温下，一般为 0.2~0.7V．第 4 象限区又称为反向工作区，其特点是加一个相当高的电压时，电流会突然 增大，导致损坏，这种现象称为击穿．检波二极管和整流二极管工作范围不能超过击穿区． 检波二极管的 PN 结是针形接触，其特点是工作电流小，工作频率范围的宽，但反向 耐压低．整流二极管的 PN 结是面形接触，其特点是工作电流大，工作频率低，反向耐压 可达上千压．它们的共同特点是要求反向工作时流过的电流越小越好． 2．稳压二极管 稳压二极管工作在第 4 象限．而且工作在击穿区．其特点是反向工作电压加到一定值 时，电流突然增大，在此基础上再加大电压时，电流的变化非常剧烈，这时稳压二极管承 受的功率急剧增大，若不加限流措施，PN 结极易烧毁． 3．发光二极管 发光二极管由半导体发光材料制成，工作在第 1 象限．要发的光的波长与材料的禁带 宽度 E 对应．根据量子力学原理 E = eV = hυ可知，对于可见光，开启电压 V 约在 2~3V．当 加在发光二极管两端的电压小于开启电压时，发光二极管不会发光，也没有电流流过．电 压一旦超过开启电压，电流急剧上升，二极管处于导通状态并发光，此时电流与电压呈线 性关系，直线与电压坐标的交点可以认为是开启电压． 【实验仪器】 1．非线性元件：检波二极管，整流二极管和发光二极管（5 种颜色）． 2． 电源与仪表：直流稳压电源（0～20 V）、直流恒流电源（0 ～ 2 mA，0 ～ 20 mA）， 数字万用表（2 只） 【实验内容】 1．检波和整流二极管（选一种二极管） （1）检波二极管 正向伏安特性：测量电路见图 2，最大正向电流 I≤20 mA，二极管两端电压 V ≤1.2 V， 实验点不少于 20 个． 反向伏安特性：测量电路见图 3，反向电压 V ≤20 V，实验点不少于 10 个． （2）整流二极管 正向伏安特性：测量电路见图 2，最大正向电流 I ≤20 mA，二极管两端电压 V ≤1 V， 实验点不少于 20 个． 反向伏安特性：测量电路见图 3，反向电压 V ≤20 V，实验点不少于 10 个． 2．稳压二极管. 测量稳压二极管的反向伏安特性曲线．测量电路见图 3, 稳压二极管的最大反向电流小 于 30 mA，工作电压约为 5 V 左右．实验点不得少于 20 个．并解释稳压管的工作原理，给 出工作电压．测量是注意电流不能超过 30 mA． 3．发光二极管
正向伏安特性：测量电路见图4，此时采用恒流源.根据伏安特性曲线和实验中的观 察（红外除外）找到的开启电压，并根据公式 eU=h (3) 计算4个发光二极管发出光的波长.其中h为普朗克常数，c为光速，入为光的波长.发 光二极管最大正向电流I≤20mA,二极管两端电压V≤3V,实验点不少于15个. 数据表格自拟. D ④ A 图2 图3 图4 【注意事项】 1.实验开始时要检查所配置的器件数目以及是否正常，二极管可用万用表的二极管档 检查，正向导通，反向截止 2.接线时，开关要处于关的状态.测量时，电压和电流一定从零开始，由小到大增加！ 实验点应均匀分布在实验曲线上 3.整个测量过程中，要保证电流表的量程不变 4.实验后对每一元件进行检查， 【思考题】 试总结各非线性元件的伏安特性， -92-
- 92 - 正向伏安特性：测量电路见图 4，此时采用恒流源．根据伏安特性曲线和实验中的观 察（红外除外）找到的开启电压，并根据公式 l c eU = h （3） 计算 4 个发光二极管发出光的波长．其中 h 为普朗克常数，c 为光速，l 为光的波长．发 光二极管最大正向电流 I ≤ 20 mA，二极管两端电压 V ≤ 3 V，实验点不少于 15 个． 数据表格自拟． 图 2 图 3 图 4 【注意事项】 1．实验开始时要检查所配置的器件数目以及是否正常，二极管可用万用表的二极管档 检查，正向导通，反向截止． 2．接线时，开关要处于关的状态．测量时，电压和电流一定从零开始，由小到大增加！ 实验点应均匀分布在实验曲线上． 3．整个测量过程中，要保证电流表的量程不变． 4．实验后对每一元件进行检查． 【思考题】 试总结各非线性元件的伏安特性．