实验五非线性元件伏安特性的测量 若加在元器件两端的电压U与通过其的电流I成线性关系，即元器件满足欧姆定律U= !,这种元器件称为线性元件.但是大多数元器件的电压与电流不满足线性关系，这种元 器件称为非线性元件.非线性元件的阻值用微分电阻表示，定义为 R=du (1) dⅡ 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、稳压二极管和发光二极管的伏安特性曲线，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 ImA人 导通区 U/V 截止区 开启电压U。 击穿区 图1二极管的伏安特性曲线 40
40 实验五 非线性元件伏安特性的测量 若加在元器件两端的电压 U 与通过其的电流 I 成线性关系，即元器件满足欧姆定律 U = RI，这种元器件称为线性元件．但是大多数元器件的电压与电流不满足线性关系，这种元 器件称为非线性元件．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、稳压二极管和发光二极管的伏安特性曲线，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、3象限.第1象限区又称为正向工作区.当外加 电压较低时，流经电流很小，继续增加电压达某一特定值后，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U。,它与所用的半导体材料的禁带宽度Eg有关.在常 温下，一般为02~0.7V.第3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.在实际使用时，检波二极管和整流二极 管工作范围不能超过击穿区， 检波二极管是针形接触的PN结，工作电流小，工作频率范围宽，但反向耐压低.整 流二极管是面形接触PN结，工作电流大，工作频率低，反向耐压高，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3象限的击穿区.其特点是反向工作电压加到一定值时，电流突 然急剧增大，在此基础上再加电压时，电流变化非常剧烈，这时稳压二极管承受的功率急 剧增大，若不加限流措施，该PN结极易烧毁， 3.发光二极管 发光二极管由重掺杂的半导体发光材料制成，工作在第1象限.其发光的波长与材料 的禁带宽度Eg可相对应.根据量子力学原理Eg=eU=h可知，对于可见光，开启电压U。 约在1.6~3V.当加在发光二极管两端的电压小于开启电压U。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U。 4.隧道二极管 隧道二极管是基于重掺杂PN结隧道效应而制成的半导体两端器件.它是1958年由日 本江崎珍于奈在研究重掺杂锗PN结时发现的，故又称江崎二极管.这一发现揭示了固体中 电子隧道效应的物理原理，江崎为此而获得诺贝尔物理学奖.其主要特点是正向电流-电压 特性具有负阻，因此开关速度达ps(102s)量级，工作频率高达100GHz(10Hz).此外，还 具有小功耗、低噪声等特点.可用于微波混频、检波，低噪声放大、振荡等.由于功耗小， 所以适用于卫星微波设备.还可用于超高速开关逻辑电路、触发器和存储器等。 5.小灯泡 金属的电阻会随温度而发生改变.因为金属导电是由于金属中的自由电子定向运动导 致的，金属中除自由电子外的原子实也在其中心位置附近振动，温度越高，振动越剧烈， 此时自由电子与原子实的碰撞机会就增大，进一步阻碍了电子的定向运动，宏观上可以观 察到电阻值随温度升高而增大.而钨丝小灯泡的伏安特性曲线则清晰的反映了这种变化， 因为随着加在小灯泡上的功耗增大，钨丝的温度迅速升高。 【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)，隧道二极管和 小灯泡. 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)，函数信号发生器，双踪示波器，取样电阻(3002). 41
41 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、3 象限．第 1 象限区又称为正向工作区．当外加 电压较低时，流经电流很小，继续增加电压达某一特定值后，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 Uo，它与所用的半导体材料的禁带宽度 Eg 有关．在常 温下，一般为 0.2~0.7V．第 3 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．在实际使用时，检波二极管和整流二极 管工作范围不能超过击穿区． 检波二极管是针形接触的 PN 结，工作电流小，工作频率范围宽，但反向耐压低．整 流二极管是面形接触 PN 结，工作电流大，工作频率低，反向耐压高，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 3 象限的击穿区．其特点是反向工作电压加到一定值时，电流突 然急剧增大，在此基础上再加电压时，电流变化非常剧烈，这时稳压二极管承受的功率急 剧增大，若不加限流措施，该 PN 结极易烧毁． 3．发光二极管 发光二极管由重掺杂的半导体发光材料制成，工作在第 1 象限．其发光的波长与材料 的禁带宽度 Eg 可相对应．根据量子力学原理 Eg= eU = hν可知，对于可见光，开启电压 Uo 约在 1.6~3V．当加在发光二极管两端的电压小于开启电压 Uo 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 Uo． 4．隧道二极管 隧道二极管是基于重掺杂 PN 结隧道效应而制成的半导体两端器件. 它是 1958 年由日 本江崎珍于奈在研究重掺杂锗 PN 结时发现的，故又称江崎二极管. 这一发现揭示了固体中 电子隧道效应的物理原理，江崎为此而获得诺贝尔物理学奖. 其主要特点是正向电流-电压 特性具有负阻，因此开关速度达 ps(10-12s)量级，工作频率高达 100GHz(109 Hz). 此外，还 具有小功耗、低噪声等特点. 可用于微波混频、检波，低噪声放大、振荡等. 由于功耗小， 所以适用于卫星微波设备. 还可用于超高速开关逻辑电路、触发器和存储器等. 5．小灯泡 金属的电阻会随温度而发生改变. 因为金属导电是由于金属中的自由电子定向运动导 致的，金属中除自由电子外的原子实也在其中心位置附近振动，温度越高，振动越剧烈， 此时自由电子与原子实的碰撞机会就增大，进一步阻碍了电子的定向运动，宏观上可以观 察到电阻值随温度升高而增大. 而钨丝小灯泡的伏安特性曲线则清晰的反映了这种变化， 因为随着加在小灯泡上的功耗增大，钨丝的温度迅速升高。 【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），隧道二极管和 小灯泡． 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），函数信号发生器，双踪示波器，取样电阻（300Ω）．
【实验内容】 1.检波和整流二极管 (1)检波二极管 正向伏安特性：测量电路见图2，最大电流I≤20mA,二极管两端电压U≤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U≤20V,反向电流I≤20mA,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U≤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U≤20V,反向电流I≤20A,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4，稳压二极管的最大反向电流1 ≤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.测量时注意电流不能超过30mA. 3.发光二极管（选取1-2种颜色的发光二极管进行测量） 正向伏安特性：测量电路见图5，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号 (2) 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，1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， 图2 图3 2
42 【实验内容】 1．检波和整流二极管 （1）检波二极管 正向伏安特性：测量电路见图 2，最大电流 I ≤ 20 mA，二极管两端电压 U ≤ 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 U ≤20 V，反向电流 I ≤ 20 mA，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 U ≤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 U ≤ 20 V，反向电流 I≤20 mA，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 4, 稳压二极管的最大反向电流 I ≤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．测量时注意电流不能超过 30 mA． 3．发光二极管（选取 1-2 种颜色的发光二极管进行测量） 正向伏安特性：测量电路见图 5，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 λ c eUo = h （2） 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，λ 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
A (A 图4 图5 4.隧道二极管 测量隧道二极管的正向伏安特性曲线，并根据伏安特性曲线做出其微分电阻(dUUd)随 电压变化关系图.测量电路见图2，最大正向电流≤20mA. 5.小灯泡 测量小灯泡的正向伏安特性曲线，并根据伏安特性曲线做出电阻(U∥)随电压变化关 系图.采用恒压源提供电压来进行测量，最大电压U≤3V. 6.利用信号发生器，示波器，取样电阻，检波二极管等搭建电路，在示波器上观察发 光二极管的非线性伏安特性曲线，并测出开启电压。 【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，由小到大增加则 通过二极管的电流不能超过20mA,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。 3
43 V A I V I A 图 4 图 5 4．隧道二极管 测量隧道二极管的正向伏安特性曲线，并根据伏安特性曲线做出其微分电阻(dU/dI)随 电压变化关系图．测量电路见图 2, 最大正向电流 I≤20 mA． 5．小灯泡 测量小灯泡的正向伏安特性曲线，并根据伏安特性曲线做出电阻（U/ I）随电压变化关 系图．采用恒压源提供电压来进行测量，最大电压 U≤3V． 6. 利用信号发生器，示波器，取样电阻，检波二极管等搭建电路，在示波器上观察发 光二极管的非线性伏安特性曲线，并测出开启电压． 【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！ 通过二极管的电流不能超过 20mA，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．
