[理科實驗報告精品]非線性元件伏安特性的測量 實驗報告

1、實 驗 報 告姓 名： 班 級：學 號：實驗成績：同組姓名：實驗日期：2010-4-12指導老師：助教02批閱日期：非線性元件伏安特性的測量【實驗目的】1學習測量非線性元件的伏安特性,針對所給各種非線性元件的特點，選擇一定的實驗方法，援用配套的實驗儀器，測繪出它們的伏安特性曲線。2. 學習從實驗曲線獲取有關(guān)信息的方法?！緦嶒炘怼?、非線性元件的阻值用微分電阻表示，定義為 r = du/di。2、如下圖所示，為一般二極管伏安特性曲線3、測量檢波和整流二極管，穩(wěn)壓二極管，發(fā)光二極管的伏安特性曲線，電路示意圖如下 (1)檢波和整流二極管 檢波二極管和整流二極管都具有單向?qū)щ娮饔?，他們的差別在于允許

2、通過電流的大小和使用頻率范圍的高低。(2)穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管的特點是反向擊穿具有可逆性，反向擊穿后，穩(wěn)壓二極管兩端的電壓保持恒定，這個電壓叫穩(wěn)壓二極管的工作電壓。(3)發(fā)光二極管 發(fā)光二極管當兩端的電壓小于開啟電壓時不會發(fā)光，也沒有電流流過。電壓一旦超過開啟電壓，電流急劇上升，二極管發(fā)光，電流與電壓呈線性關(guān)系，直線與電壓坐標的交點可以認為是開啟電壓 使用公式 計算光的波長?！緦嶒灁?shù)據(jù)記錄、實驗結(jié)果計算】1、整流二極管正向：表一 測量整流二極管的正向伏安特性數(shù)據(jù)編號12345678910u測(v)0.380.410.440.480.510.540.560.620.630.65i(ma)0.0

3、080.0210.0360.0990.2100.4250.6601.0762.1422.866編號11121314151617181920u(v)0.670.680.700.730.740.780.800.830.860.89i(ma)3.6914.0045.2246.5277.0029.90211.10413.32315.71018.169根據(jù)圖像去掉了幾個異常點得到圖像如下:圖1整流二極管正向伏安特性曲線及線形擬合直線擬合直線方程：i = 72.56604 * u 46.6435令i = 0，得 u0 = 0.642 (v)則整流二極管的開啟電壓u0 = 0.642(v)反向：表二 測量整

4、流二極管的反向伏安特性數(shù)據(jù)編號12345678910u(v)-1.00-3.00-5.00-7.00-9.00-11.00-13.00-15.00-17.00-19.00i(a)0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000根據(jù)數(shù)據(jù)得到圖像如下:圖2 整流二極管反向伏安特性曲線及線性擬合直線在測量范圍（i20ma)內(nèi)，電壓恒為0?？梢娬鞫O管反向耐壓很高。2、穩(wěn)壓二極管表三 測量穩(wěn)壓二極管的反向伏安特性數(shù)據(jù)編號12345678910u(v)-3.522-3.771-3.907-4.168-4.483-4.741-4.939-5.003-5

5、.035-5.061i(ma)-0.005-0.010-0.014-0.028-0.066-0.137-0.262-0.335-0.382-0.431編號11121314151617181920u(v)-5.093-5.124-5.138-5.166-5.185-5.191-5.197-5.204-5.217-5.241i(ma)-0.506-0.600-0.657-0.834-1.117-1.305-1.790-2.634-5.469-11.239根據(jù)數(shù)據(jù)得到圖像如下:圖3 穩(wěn)壓二極管反向伏安特性曲線及線形擬合直線擬合直線方程：i = 233.54778 * u + 1212.82776令i

6、 = 0，得 u工作 = 5.19 (v)則穩(wěn)壓二極管的工作電壓u工作 = 5.19 (v)3、發(fā)光二極管表四 發(fā)光二極管的伏安特性數(shù)據(jù)（紅光）編號12345678u(v)1.38201.48761.50981.52201.53121.55411.56551.5667i(ma)0.0030.0320.0510.0640.0800.1310.1700.174編號9101112131415u(v)1.58301.58881.71321.74071.76581.78171.7922i(ma)0.2550.2936.0469.90114.15317.37719.528 根據(jù)上述表格數(shù)據(jù)得到圖像如下：圖

7、4 發(fā)光二極管正向伏安特性曲線（紅光）及線形擬合直線擬合直線方程：i = 170.82762 * u 287.03695 令i = 0，得 u0 = 1.68 (v) 則穩(wěn)壓二極管的開啟電壓u0 = 1.68 (v) 代入公式 = 7.39 * 10-7 (m) = 739 (nm) 查資料得，紅光波長范圍780630，所以測得的正常。表五 發(fā)光二極管的伏安特性數(shù)據(jù)（黃光）編號12345678u(v)1.43521.60001.59411.63181.66241.68751.69851.7092i(ma)0.0010.0040.0050.0080.0180.0320.0410.051編號910

8、1112131415u(v)1.71991.73551.74691.77001.85481.87511.9290i(ma)0.0650.0900.1130.2171.4962.64210.294 根據(jù)上述表格數(shù)據(jù)得到圖像如下：圖5 發(fā)光二極管正向伏安特性曲線（黃光）及線性擬合直線擬合直線方程：i = 123.37364 * u 227.90903 令i = 0，得 u0 = 1.86 (v) 則穩(wěn)壓二極管的開啟電壓u0 = 1.86 (v) 代入公式 = 6.32 * 10-7 (m) = 632 (nm) 查資料得，黃光波長范圍600570，所以測得的偏大，問題分析見后。表六 發(fā)光二極管的伏

9、安特性數(shù)據(jù)（藍光）編號12345678u(v)2.0232.2142.2222.2382.2442.2522.2802.288i(ma)0.0010.0040.0050.0060.0070.0080.0090.011編號9101112131415u(v)2.3132.4742.5862.6332.7052.8252.908i(ma)0.0150.1390.5520.8661.5823.4435.280 根據(jù)上述表格數(shù)據(jù)得到圖像如下：圖6 發(fā)光二極管正向伏安特性曲線（藍光）及線性擬合直線擬合直線方程：i = 22.13253 * u 59.0814 令i = 0，得 u0 = 2.67 (v)

10、則穩(wěn)壓二極管的開啟電壓u0 = 2.67 (v) 代入公式 = 4.65 * 10-7 (m) = 465 (nm) 查資料得，藍光波長范圍470420，所以測得的正常?！緦嶒灲Y(jié)果中的現(xiàn)象或問題進行分析、討論】一、現(xiàn)象分析1、 現(xiàn)象：整流二極管正向工作時，當電壓較小時電流幾乎沒什么變化，在電壓達到某 一值后突然急劇變化。反向工作時，電流幾乎為零。 分析：整流二極管的pn結(jié)，其p區(qū)的載流子是空穴，n區(qū)的載流子是電子，在p 區(qū)和n區(qū)間形成一定位壘。當外加電壓使p區(qū)相對n區(qū)為正時，此時即能通 過大量電流，所以在從零到外加電壓抵消位壘階段，電壓增大，電流幾乎為 零且變化緩慢。抵消位壘時外加電壓即應是

11、開啟電壓u0。而過了開啟電壓， 電流變化十分劇烈。而加相反的電壓，位壘增大，流過極小的反向電流，直 至擊穿。2、 現(xiàn)象：穩(wěn)壓二極管反向工作時，當電流較小時電壓變化很劇烈，當電流達到一定值 時電壓變化急速變緩，最后維持在某一特定值左右波動。 分析：穩(wěn)壓二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。 在反向臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數(shù)值，在這個低阻區(qū)中電 流增加而電壓則保持恒定。 其工作原理與其他二極管不同，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于整流二極管。穩(wěn)壓二 極管工作于反向擊穿狀態(tài)。加在穩(wěn)壓二極管兩端的反向電壓達到一定數(shù)值時， 將可能有大量載流子遂穿pn結(jié)的位壘，形成大的反向電流，此時

12、電壓基本 不變，稱為隧道擊穿。3、 現(xiàn)象：發(fā)光二極管在電流較低時，電壓變化很劇烈，然而在電流達到一定值后，電 壓變化又急劇減緩。且在電壓較小且變化很快時，二極管不發(fā)光或光很弱， 電壓變化緩慢后二極管發(fā)光。 分析：電壓變化快慢的轉(zhuǎn)折點即為發(fā)光二極管的開啟電壓，此時二極管導通并發(fā)光。4、現(xiàn)象：開啟電壓 u藍 u黃 u紅 波長 藍 黃 紅 分析：輻射色光的過程即是電子能級躍遷。由于紫光能量大，需要的躍遷能量最大， 所以需要的開啟電壓高，而紅光則最低。紫光能量大的原因是波長小，頻率 大，所以能量大。同理，隨波長增大，色光能量減小。5、 示波器：純電阻：正弦曲線 整流二極管：正弦曲線的上半 檢波二極管：

13、正弦曲線的上半 + x軸下方有較小的正弦波 穩(wěn)壓二極管：穩(wěn)壓值內(nèi)為正弦曲線，穩(wěn)壓值外的都被截去 發(fā)光二極管：波峰紅光高于黃光高于藍光 分析：所加電壓為交流電，因而純電阻波形為正弦曲線；整流二極管單向?qū)?，?而只有正弦曲線的x軸上方部分；檢波二極管反向耐壓低，因而有一小部分x 軸下方的正弦波；穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值內(nèi)導通，穩(wěn)壓值外不通；發(fā)光二極管波 長越長，波峰越高，這可能與各色光開啟電壓有關(guān)。在開啟電壓后，發(fā)光二 極管的電阻都很小，可以看做大致相等，所以電流大小的變化只取決于開啟 電壓。紅光開啟電壓小，故電流早增大，當達到電壓最大時，紅光二極管的 電流最大，紫光最小。二、誤差分析4、 在測量發(fā)光二

14、極管的正向伏安特性時, 三次測量數(shù)據(jù)點選擇普遍偏小。紅光還好，只是電流急劇變化階段數(shù)據(jù)點較少，對開啟電壓的計算尚未造成太大影響；而對黃光和藍光，問題就顯得比較嚴重了，在線性擬合時，由于導通區(qū)數(shù)據(jù)點過少，我不得不只選取兩個數(shù)據(jù)點進行擬合，這樣做的誤差顯然是非常大的；最嚴重的黃光，甚至測得的u0偏小，導致計算所得的波長較理論值偏大，究其原因，我覺得主要是右數(shù)第二個數(shù)據(jù)點其實還處于電流急劇上升階段而不是導通區(qū)，如果導通區(qū)能再取幾個數(shù)據(jù)點來線性擬合應該可以解決這個問題。而為什么我們組會把數(shù)據(jù)點選擇的那么小呢，因為我們認為既然是開啟電壓附近二極管導通并發(fā)光，我們只需用肉眼觀察二極管是否發(fā)光，然后在發(fā)光的

15、電壓兩邊取值即可?？紤]到肉眼觀察不精確，可能二極管以及更發(fā)光了卻沒有被我們的視力所捕獲，我們特地在看到發(fā)光前取了9個點，看到發(fā)光后只取6各點，且在發(fā)光點附近取值較密。然而事實證明我們錯了，我們所見的發(fā)光點都比開啟電壓小很多，我不明白為什么，望老師解答。2、 本實驗誤差還有一個重要來源，即電表分壓（分流）。主要體現(xiàn)在第一個實驗測量整流二極管伏安特性上，因為此時二極管正向電阻不大，電流表分壓作用較為明顯。本來應該按照u = u測 - ira算得二極管兩邊的實際電壓，然后進行數(shù)據(jù)處理。但是我發(fā)現(xiàn)好幾個電壓經(jīng)換算后都變成了相等的，而它們對應的電流不同，很難作圖，因而最終我沒有換算。我設(shè)想的解決辦法是把

16、這些相等電壓對應的電流取平均值，請問老師是否可取，還是有什么更好的方法。三、思考題1、試總結(jié)各非線性元件的伏安特性。答：整流二極管：工作在一、三象限。當所加電壓較小時，電流很小，當?shù)竭_開啟電壓后，電流急劇上升。反向電壓到達擊穿電壓后，電流也急劇上升，但由于反向耐壓高，在有限的實驗器材下，并未獲得特征曲線。穩(wěn)壓二極管：工作在第三象限的擊穿區(qū)。反向工作電壓加到一定值時，電流突然急劇增大，在此基礎(chǔ)上再加電壓時，電流變化非常劇烈。發(fā)光二極管：其工作原理與整流二極管正向伏安特性相似，當電壓超過其開啟電壓時，發(fā)光二極管導通并開始發(fā)光?？梢愿鶕?jù)公式計算出各種可見光的波長。四、心得體會1、在每一次完整的測量過程中，電流表的量程不可改變，因為不同倍率的量程其內(nèi)阻也有很大差別，會對測量造成誤差。2、關(guān)于電流表內(nèi)外接：當二極管正向接通時，電