非线性元件伏安特性测量演示文稿

非线性元件伏安特性测量演示文稿第一页，共四十七页。我们的实验室第二页，共四十七页。物理实验设计与应用三非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用四温度传感器的温度特性测量及应用五光敏传感器的光电特性测量及应用

第三页，共四十七页。非线性元件伏安特性发光二极管

目的要求实验仪器实验原理实验内容思考题第四页，共四十七页。目的要求⑴掌握非线性元件伏安特性的测量方法、基本电路、误差计算⑵掌握普通二极管、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、反向击穿电压，根据发光二极管的正向工作电压估算出它的峰值波长⑶画出以上三种元件的伏安特性曲线第五页，共四十七页。实验仪器非线性元件伏安特性实验仪的组成：直流稳压电源数字电压表数字电流表可变电阻器普通二极管、稳压二极管、发光二极管待测电阻等第六页，共四十七页。实验原理1.伏安特性2.半导体二极管3.稳压二极管4.发光二极管(LED)第七页，共四十七页。1.伏安特性(1)（1）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。以电压为横坐标、电流为纵坐标，画出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UI0第八页，共四十七页。1.伏安特性(2)（2）伏安特性曲线为直线的元件称为线性元件，如电阻（3）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UI0UI0第九页，共四十七页。1.伏安特性(3)（4）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（5）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第十页，共四十七页。1.伏安特性(4)根据欧姆定律，电阻R、电压U、电流I,

关系为

R=U/I

由电压表和电流表的示值计算可得待测元件的阻值非线性元件的R是一个变量，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

RD——静态电阻（或称为直流电阻）

rD——动态电阻，等于工作点附近的电压改变量与电流改变量之比第十一页，共四十七页。1.伏安特性(5)图中Q

点的静态电阻RD=UQ

/IQ

动态电阻

rD

=△U/△IUI0IQUQIQU第十二页，共四十七页。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两个电极分别为正极、负极二极管的结构

电路图中的常用符号第十三页，共四十七页。2.半导体二极管

二极管的电流I

和电压U满足下式

I=Is(eqU/kT–1)

在常温条件下，且U>0.1V

时，可近似为

I=IseqU/kT

q=1.602×10-19

C

电子电量

k=1.381×10-23J/K玻尔兹曼常数

T

绝对温度

Is

反向饱和电流

e=2.71828 自然常数第十四页，共四十七页。2.半导体二极管二极管的主要特点是单向导电性伏安特性曲线UD正向导通阈值电压Is反向饱和电流UB反向击穿电压第十五页，共四十七页。2.半导体二极管

正向电压和反向电压较小时，电流都较小正向电压加大到某一数值UD

时，正向电流明显增大随着电压加大，电流急剧增大，伏安曲线趋近一直线，将此段直线反向延长与横轴相交，交点UD称做正向导通阈值电压硅二极管UD=0.6~0.8V，锗二极管UD=0.2~0.3V

反向电压较大时，电流趋近极限值Is，反向饱和电流反向电压超过某一数值UB

时，电流急剧增大，这种情况称做击穿，UB称做反向击穿电压第十六页，共四十七页。2.半导体二极管

主要参数正向导通阈值电压UD

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Ubr

一般取反向击穿电压UB的一半反向电流Ir

在漏电流可以忽略时，是反向饱和电流Is的额定值第十七页，共四十七页。2.半导体二极管

应用：（二极管具有单向导电性）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第十八页，共四十七页。3稳压二极管

稳压二极管是一种特殊的半导体二极管符号伏安特性曲线第十九页，共四十七页。3稳压二极管

正向伏安特性曲线与普通二极管的类似只是达到反向击穿电压之后，在稳压值附近一个很宽的电流范围内（如图中的Imin~Imax段），伏安特性曲线十分陡直，在这个区域内，改变外加电压，仅引起通过稳压二极管的电流变化，而稳压管的端电压将维持恒定，一般取电流所对应的电压值Uw作为稳压二极管的稳压值第二十页，共四十七页。3稳压二极管

稳压二极管工作在反向击穿区。与一般二极管不同，稳压管的反向击穿是可逆的，即去掉反向电压，稳压管又恢复正常。当然，如果反向电流超过允许范围，稳压管同样会因热击穿而烧坏稳压二极管的主要参数：稳定电压Uw、动态电阻rD，最小稳定电流Imin和最大稳定电流Imax等稳压二极管经常用在稳压、恒流等电路中第二十一页，共四十七页。4发光二极管(LED)

由III-V族化合物，如：

GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、

GaASP（磷砷化镓）等半导体材料制成核心是PN结，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）工作的基本原理，如图4（b）第二十二页，共四十七页。4发光二极管(LED)LED的表示符号

LED工作的基本原理第二十三页，共四十七页。4发光二极管(LED)

具有发光特性，工作的基本原理：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区的电子复合以发光的形式辐射出多余的能量发光仅在靠近PN结面数μm以内产生第二十四页，共四十七页。4发光二极管(LED)光的峰值波长λ与发光区域的半导体禁带宽度Eg有关即λ≈1240/Eg(nm)Eg的单位为电子伏特（eV）若能产生的可见光波长在380nm(紫)～780nm(红）半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间目前已有红外、红、黄、绿、白、蓝光等发光二极管

(比红光波长长的光为红外光)第二十五页，共四十七页。4发光二极管(LED)发光二极管(LED)的主要参数：⑴最大正向电流IFm：允许的最大正向直流电流，超过此值LED损坏⑵正向工作电流IF：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，在1.4～3V第二十六页，共四十七页。4发光二极管(LED)⑷最大反向电压VRm：允许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：图5表示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

第二十七页，共四十七页。4发光二极管(LED)由图I/mAU/V0123123450.10.20.30.4-5-10-15第二十八页，共四十七页。4发光二极管(LED)

峰值波长：LED所发之光中某一波长λ0的光强最大光谱半宽度△λ：1/2峰值光强所对应两波长之间隔表示LED的光谱纯度（发光强度IV、半值角θ1/2和视角等指标也很重要但本实验不作研究）第二十九页，共四十七页。实验内容实验1(a)限流和分压电路实验实验1(b)限流和分压电路实验实验2测量普通二极管的正向、反向伏安特性实验3测量稳压二极管的正向、反向伏安特性实验4测量发光二极管的正向、反向伏安特性第三十页，共四十七页。实验1(a)限流和分压电路实验用伏安法测量电阻阻值，了解电阻分压电路原理分压电阻Rx1可调，分压保护电阻R2限流电阻Rx2可调，限流保护电阻R3待测电阻R1CA5VRx1R2BAR3Rx2R1V第三十一页，共四十七页。实验1(a)限流和分压电路实验

Rx1=0-1KΩ可调，R2=100Ω

Rx2=0-1KΩ可调，R3=100Ω待测电阻R1≈100ΩCA5VRx1R2BAR3Rx2R1V第三十二页，共四十七页。实验1(a)限流和分压电路实验

调节Rx1

，测量UCA，记录电压UCA变化范围调节Rx2

，测量I，记录电流I变化范围用伏安法测量待测电阻的阻值，即R1=UR1/ICA5VRx1R2BAR3Rx2R1V第三十三页，共四十七页。实验1(b)限流和分压电路实验用分压、限流原理使原0-2V

的数字电压表能测试0-20V

的电压图中：R1=900

KΩR2=100

KΩ0-2V0-20VR2R10-2V数字电压表第三十四页，共四十七页。实验2测量普通二极管的正向、反向伏安特性正向特性：电压从最小开始调节，观察正向电流当开始有正向电流时，即很慢地调节Rx1使电压缓慢变化正向电流达到10mA时实验结束记录I–U关系数据在作图纸上描出正向伏安特性曲线第三十五页，共四十七页。实验2测量普通二极管的正向、反向伏安特性R1CA5VRx1R2BAR3Rx2V第三十六页，共四十七页。实验2测量普通二极管的正向、反向伏安特性

Rx1=0-1KΩ可调，R2=100Ω

Rx2=0-1KΩ可调，R3=100Ω

D正向CA5VRx1R2BAR3Rx2VD正向第三十七页，共四十七页。实验2测量普通二极管的正向、反向伏安特性反向击穿特性：电压从最小开始调节，观察反向电流当反向电流开始增大时必须特别注意，立即用电压微调开始慢慢调节并注意观察反向电流当反向电流有突变趋势并≥20mA时，必须立即调小电压，否则二极管有可能被烧坏记录数据，并在图纸上描出反向伏安特性曲线注意限流保护，反向击穿电压最高做到24V

正、反向分二次做第三十八页，共四十七页。实验2测量普通二极管的正向、反向伏安特性VCA5VRx1R4BAR5Rx2D正向第三十九页，共四十七页。实验2测量普通二极管的正向、反向伏安特性

Rx1=0-1KΩ可调，R4=100Ω

Rx2=0-1KΩ可调，R5=1KΩ

D反向CA5VRx1R4BAR5Rx2D反向V第四十页，共四十七页。实验3测量稳压二极管的正向、反向伏安特性正向特性：电压从最小开始调节，观察正向电流当开始有正向电流时，即很慢地调节Rx1使电压缓慢变化正向电流达到10mA时实验结束记录I–U关系数据在作图纸上描出正向伏安特性曲线第四十一页，共四十七页。实验3测量稳压二极管的正向、反向伏安特性反向击穿特性（稳压特性）：测出反向电流达10mA

时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的大小对稳压特性的影响记录数据，并在作图纸上描出反向伏安特性曲线

第四十二页，共四十七页。实验4测量发光二极管的正向、反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、黄、绿三种发光二极管，分别测出它们的导通电压，并根据导通电压估算出它们的峰值波长第四十三页，共四十七页。实验4测量发光二极管的正向、反向伏安特性正向特性电压从最小开始调节，观察正向电流当开始有正向电流时即用电压微调调节电压，记下