電橋法精確測(cè)二極管特性

1、電橋測(cè)非線性元件的伏安特性曲線物理學(xué)二班 成貴林 學(xué)號(hào)201333010206 指導(dǎo)教師 【摘要】本次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是用電橋法測(cè)量二極管的伏安特性和熱敏電阻的溫度特性，并且繪制出相應(yīng)的曲線，以及了解半導(dǎo)體溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)及使用方法?！娟P(guān)鍵詞】惠斯通電橋法 非平衡電橋法 二極管 熱敏電阻 溫度計(jì)【英文摘要】This key point of this experiment is to use a bridge to measure volt-ampere characteristic of diode and thermistor temperature characteristic, and draw

2、 the corresponding curve, and understand the structure and using method of semiconductor thermometer.引言普通物理實(shí)驗(yàn)中都是用伏安法測(cè)二極管特性, 存在較大的系統(tǒng)誤差。筆者對(duì)惠斯登電橋略加改進(jìn)后用以側(cè)二極管特性, 試臉結(jié)果比伏安法更靈教, 更精確, 更直觀。實(shí)驗(yàn)原理及理論法分析一、 電橋法側(cè)二極管的伏安特性曲線 半導(dǎo)體二極管：半導(dǎo)體二極管的特性是單項(xiàng)導(dǎo)電性。即當(dāng)外加正向電壓時(shí)，它呈現(xiàn)的電阻（正向電阻）比較小，通過(guò)的電流比較大，當(dāng)外加反向電壓時(shí)，它呈現(xiàn)的電阻（反向電阻）很大，通過(guò)的電流比很小，（通

3、?？梢院雎圆挥?jì)）。反應(yīng)二極管的電流隨電壓變化的關(guān)系曲線，叫做二極管的伏安特性。測(cè)量二極管的伏安特性通常需要交替使用電流表的內(nèi)接和外接法，才能減少電流表和電壓表的接入影響所造成的系統(tǒng)誤差。但在實(shí)際測(cè)量中，由于二極管的正向壓降很小，而通常低量程的直流電壓表內(nèi)阻Rv不是很大，電流表的內(nèi)阻Ra也不太小，它們接入后對(duì)電路的影響仍然比較明顯，因而測(cè)量誤差的結(jié)果很難降低較多。位置準(zhǔn)確地測(cè)量二極管的伏安特性，必須有效的降低電流表，電壓表的接入影響。利用電橋平衡原理測(cè)二極管的伏安特性的電路如圖1所示電流表和電壓表分別作為直流電橋的一個(gè)橋臂。構(gòu)成橋式電路，圖中G為檢流計(jì)，Rw3為限流電阻。調(diào)整Rw1、Rw2使電橋

4、平衡。則此時(shí)電流表上的電流即為流過(guò)二極管D上的電流Id，電流表所測(cè)的電壓即為二極管兩端的電壓Vd，選定不同的Vd值，記錄相應(yīng)的Id。圖一（電橋法側(cè)二極管的伏安特性曲線）二、熱敏電阻溫度計(jì)的原理 當(dāng)RT在某一溫度下，將電橋調(diào)平衡后。改變RT所處的溫度，RT的阻值將發(fā)生變化，從而電橋失去平衡，這時(shí)檢流計(jì)的示數(shù)將是RT 處溫度增量的函數(shù)。如果測(cè)出檢流計(jì)的示數(shù)與 RT 溫度的關(guān)系，就可利用此非平衡電橋去測(cè)量 處未知溫度之值，此既是熱敏電阻溫度計(jì)的原理。圖二（熱敏電阻溫度計(jì)的原理）E為直流電源，K1為工作開關(guān)（N調(diào)零，M校正，P測(cè)量），RT為熱敏電阻，G為微安表，KG為檢流計(jì)開關(guān)，KE為電源開關(guān)。若此溫

5、度計(jì)的測(cè)量范圍為t1-t2(°c)，則電阻RN的阻值等于RT在t1時(shí)之值，RM等于RT在t2時(shí)之值。RN,RM用于校正溫度計(jì)。三、半導(dǎo)體熱敏電阻的特性的研究 熱敏電阻是阻值對(duì)溫度變化非常敏感的一種半導(dǎo)體電阻，它具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如能測(cè)出溫度的微小變化，能長(zhǎng)期工作，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。它在自動(dòng)化，遙控，無(wú)線電技術(shù)，測(cè)溫技術(shù)等方面都有廣泛的應(yīng)用。熱敏電阻的基本特性是溫度特性。在半導(dǎo)體中原子核對(duì)價(jià)電子的要比金屬中的大，因而自由載流子數(shù)較少，故半導(dǎo)體的電阻率較高而金屬的電阻率低，由于半導(dǎo)體中載流子數(shù)目是隨著溫度升高而按指數(shù)激烈地增加，載流子的數(shù)目越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，電阻率就越小，因而熱敏電

6、阻隨著溫度升高它的電阻率將按指數(shù)規(guī)律迅速減小。這和金屬中自由電子恰好相反，金屬的電阻率是隨溫度上升而緩慢增大的。圖6-1是熱敏電阻和金屬鉑電阻隨溫度而變化的特性曲線。由實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)溫度有0變到300時(shí)，金屬鉑的電阻值總共變化一倍，而一般的熱敏電阻值變化可達(dá)1000倍左右，所以半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬。實(shí)驗(yàn)表明，在一定的溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體的電阻率p和絕對(duì)T之間的關(guān)系可用下式表示： 0 eb/t （1） 式中0和b為常量，其數(shù)值與材料的物理性質(zhì)有關(guān)。熱敏電阻的阻值，根據(jù)電阻定律可寫成RT=l/s=0 eb/t l/s=a eb/t (2)式中l(wèi)為電極間的距離，s為熱敏電阻的橫截面積，a=0

7、l/s,常量a,b可用實(shí)驗(yàn)的方法求出。 將式（6-2）兩側(cè)取對(duì)數(shù)，得RT=a+b/T (3)令x=1/T,Y=RT, A=a,則式（3）寫成y=A+bx (4)式中x,y可由測(cè)量值T,RT求出，利用n組測(cè)量值，可用圖解法，計(jì)算法或最小二乘法求出參數(shù)A,b之值，又可由A求出a值，注意溫度T的熱力學(xué)溫度（k）。 熱敏電阻RT在不同溫度時(shí)的電阻值，可由惠斯通電橋測(cè)得，測(cè)量電路如圖6-2所示。圖中RT為熱敏電阻，R0,R1,R2均為電阻箱，E為直流電源，G為檢流計(jì)，當(dāng)電橋平衡時(shí) RT=R1R0/R2 (5)即可由R0及比值R1/R2算出RT之值。調(diào)節(jié)RP可以影響測(cè)量的精確度。當(dāng)開始調(diào)平衡時(shí)RP宜取得大

8、些，隨平衡要求的提高，可逐漸減小其值。當(dāng)RP減小時(shí)，電橋的靈敏度增加，測(cè)得的R0的有效位數(shù)增多。圖三（半導(dǎo)體熱敏電阻的特性的研究）實(shí)驗(yàn)儀器1、 電源、開關(guān)、靈敏電流計(jì)、電壓表、電流表、二極管、滑動(dòng)變阻器、導(dǎo)線若干2、 電源、開關(guān)（2）、靈敏電流計(jì)、滑動(dòng)變阻器、電阻箱（3）、熱敏電阻、導(dǎo)線若干。3、 直流電源、開關(guān)、選擇開關(guān)、熱敏電阻、微安表、滑動(dòng)變阻箱、電阻箱、導(dǎo)線若干、加熱瓶、溫度計(jì)。三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理1、Rv=650()U/v0.760.750.730.720.710.700.690.680.67I/A19.818.210.47.66.24.23.82.82.4數(shù)據(jù)一（電橋法側(cè)二極管的

9、伏安特性曲線）圖一（電橋法側(cè)二極管的伏安特性曲線） 2、熱敏電阻溫度計(jì)定標(biāo)T/25.42829.13032.23537.74042.34547.55052.65557.560I(A)00.611.561.883.43.924.484.9666.487.68.28.89.4410數(shù)據(jù)二（熱敏電阻溫度計(jì)）圖二（熱敏電阻溫度計(jì)）3、測(cè)熱敏電阻的阻值RT/T/K1/TlnRTRT（計(jì)算值）RT的相對(duì)誤差682.0 29.4 302.4 0.0033068783 6.5250296578 705.37695953%657.0 33.0 306.0 0.0032679739 6.4876840185 65

10、1.7816636-1%628.0 35.4 308.4 0.0032425422 6.4425401665 618.9674946-1%608.0 37.0 310.0 0.0032258065 6.4101748820 598.2801975-2%569.0 39.9 312.9 0.0031959092 6.3438804341 563.0294737-1%554.0 41.3 314.3 0.0031816736 6.3171646867 546.9823161-1%528.0 43.1 316.1 0.0031635558 6.2690962837 527.21885820%499.

11、0 45.3 318.3 0.0031416902 6.2126060958 504.31563461%465.0 48.4 321.4 0.0031113877 6.1420374056 474.21072512%數(shù)據(jù)三（半導(dǎo)體熱敏電阻的特性的研究）圖三（半導(dǎo)體熱敏電阻的特性的研究）b=2031.2lna=-0.1582a=0.853684.結(jié)果分析與結(jié)論由于實(shí)驗(yàn)本身是存在系統(tǒng)誤差的，這是由實(shí)驗(yàn)儀器不精準(zhǔn)，雖然是因?yàn)楦鞣矫娴囊蛩匾鸬?，但本身難免會(huì)存在誤差。再者由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境及其操作者操作實(shí)驗(yàn)的不規(guī)范，造成了不可避免的偶然誤差，這也是由多方米娜因素所引發(fā)，也是難免會(huì)存在的。如圖所示：這是實(shí)驗(yàn)時(shí)讀數(shù)時(shí)不規(guī)范所造成的，是可以縮小誤差的。只需要讀數(shù)時(shí)讀數(shù)的同學(xué)認(rèn)真仔細(xì)就行了。 雖然誤差是不可能消除的，但是我們可以盡量的減小誤差，只需要我們做實(shí)驗(yàn)時(shí)更加規(guī)范一些，讀數(shù)