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.