(完整版)發(fā)光二極管及熱敏電阻的伏安特性研究

1、非線性電阻特性研究 (一)【實驗目的】（ 1） 了解并掌握基本電學儀器的使用。（ 2） 學習電學實驗規(guī)程，掌握回路接線方法。（ 3） 學習測量條件的選擇及系統(tǒng)誤差的修正。（ 4） 探究發(fā)光二極管和熱敏電阻在常溫下的伏安特性曲線?！緦嶒瀮x器】發(fā)光二極管（BT102） 熱敏電阻（根據(jù)實驗室情況選擇）滑動變阻器（0100 ）定值電阻（ 400）毫安表（ 050mA ） 微安表 (050 A) 電壓表（ 03v 06v） 電源（ 10v） 導線等【實驗原理】（ 1）當一個元件兩端加上電壓，元件內有電流通過時，電壓與電流之比稱為該元件的電阻 R（ R=U/I）。若一個元件兩端的電壓與通過它的電流成比例，

2、則伏安特性曲線為一條直線，這類元件稱為線性元件。若元件兩端的電壓與通過它的電流不成比例，則伏安特性曲線不再是直線，而是一條曲線，這類元件稱為非線性元件。一般金屬導體的電阻是線性電阻，它與外加電壓的大小和方向無關，其伏安特性是一條直線（見圖b）。從圖上看出，直線通過一、三象限。它表明，當調換電阻兩端電壓的極性時，電流也換向，而電阻始終為一定值，等于直線斜率的倒數(shù)。常用的晶體二極管是非線性電阻，其電阻值不僅與外加電壓的大小有關，而且還與方向有關。LED 是英文 lightemittingdiode （發(fā)光二極管）的縮寫，它屬于固態(tài)光源，其基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，

3、然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用（如圖一）。常規(guī)的發(fā)光二極管芯片的結構如圖二所示，主要分為襯底， 外延層（圖 2 中的 N 型氮化鎵，鋁鎵銦磷有源區(qū)和P 型氮化鎵），透明接觸層，P 型與 N 型電極、鈍化層幾部分。圖 3發(fā)光二極管的工作原理（a）np電場電p（b）子 eV的電勢n能電h（c）子 ph的電n勢能發(fā)光二極管的核心部分是由p 型半導體和 n型半導體組成的晶片，在 p 型半導體和 n 型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n 結?？邕^此 p n結，電子從 n型材料擴散到 p區(qū)，而空穴則從p 型材料擴散到n 區(qū)，如右面的圖 3（ a）所示。作為這一相互擴散的結果，在p n結處形

4、成了一個高度的e V的勢壘，阻止電子和空穴的進一步擴散，達到平衡狀態(tài) （見圖 3（ b）。當外加一足夠高的直流電壓V，且 p 型材料接正極， n 型材料接負極時，電子和空穴將克服在 p n結處的勢壘，分別流向p 區(qū)和 n 區(qū)。在 p n結處，電子與空穴相遇，復合，電子由高能級躍遷到低能級，電子將多余的能量將以發(fā)射光子的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象。這就是發(fā)光二極管的發(fā)光原理。選擇可以改變半導體的能帶隙，從而就可以發(fā)出從紫外到紅外不同波長的光線,且發(fā)光的強弱與注入電流有關，（1）發(fā)光二極管的特點和優(yōu)點及及應用前景LED的內在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，它有著廣泛的用途。主要包括

5、（ 1）體積?。?2）耗電量低（ 3）使用壽命長（4）高亮度、低熱量。 （5）環(huán)保（ 6）堅固耐用。所以發(fā)光二極管有著廣泛的用途，在道路以及室內照明， 信號指示燈，以及裝飾等有廣泛的發(fā)展前景。（ 2） V I 特性 ：在正向電壓小于閾值時，正向電流極小，不發(fā)光。當電壓超過閾值后，正向電流隨電壓迅速增加。二極管的正向電阻 Rz是動態(tài)的，與正向電流 IF有關， IF大， Rz 就小， IF× Rz=VF（正向壓降），溫度一定時， VF基本是定值，所以在常溫時曲線類似如下。圖a 線性器件伏安特性曲線圖b 非線性器件伏安特性曲線熱敏電阻器是敏感元件的一類，按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電

6、阻器（PTC）和負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時電阻值越大，負溫度系數(shù)熱敏電阻器（ NTC）在溫度越高時電阻值越低，它們同屬于半導體器件。（ 1）特點：熱敏電阻的主要特點是：靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10 100倍以上，能檢測出 10-6的溫度變化；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55315，高溫器件適用溫度高于 315（目前最高可達到2000），低溫器件適用于 -27355；體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度；使用方便，電阻值可在 0.1 10

7、0k間任意選擇； 易加工成復雜的形狀， 可大批量生產(chǎn)； 穩(wěn)定性好、過載能力強。（ 2）分類： 1. PTC熱敏電阻： PTC（ Positive Temperature CoeffiCient ）是指在某一溫度下電阻急劇增加、 具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象或材料，可專門用作恒定溫度傳感器 該材料是以 BaTiO3 或 SrTiO3 或 PbTiO3 為主要成分的燒結體，其中摻入微量的Nb、Ta、 Bi、 Sb、Y、La 等氧化物進行原子價控制而使之半導化，常將這種半導體化的BaTiO3 等材料簡稱為半導（體）瓷；同時還添加增大其正電阻溫度系數(shù)的Mn 、Fe、 Cu、Cr 的氧化物和起其他作用的

8、添加物， 采用一般陶瓷工藝成形、高溫燒結而使鈦酸鉑等及其固溶體半導化，從而得到正特性的熱敏電阻材料其溫度系數(shù)及居里點溫度隨組分及燒結條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化 2. NTC 熱敏電阻： NTC（ Negative Temperature CoeffiCient ）是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關系減小、 具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料該材料是利用錳、 銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進行充分混合、 成型、燒結等工藝而成的半導體陶瓷，可制成具有負溫度系數(shù)（ NTC）的熱敏電阻其電阻率和材料常數(shù)隨材料成分比例、燒結氣氛、燒結溫度和結構狀態(tài)不同而變化現(xiàn)在還出現(xiàn)了以碳化硅、硒化錫

9、、氮化鉭等為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料 3. CTR熱敏電阻：臨界溫度熱敏電阻CTR（ CritiCal TemperatureResistor）具有負電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加激劇減小，具有很大的負溫度系數(shù)構成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結體，是半玻璃狀的半導體，也稱 CTR 為玻璃態(tài)熱敏電阻驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變這是由于不同雜質的摻入， 使氧化釩的晶格間隔不同造成的 若在適當?shù)倪€原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩， 則電阻急變溫度變大；若進一步還原為三氧化二釩，則急變消失產(chǎn)生電阻急變的溫度對應于半玻璃半導體物性急變的位置，因此產(chǎn)生半導體-

10、金屬相移 CTR 能夠作為控溫報警等應用（ 3）應用：熱敏電阻熱敏電阻也可作為電子線路元件用于儀表線路溫度補償和溫差電偶冷端溫度補償?shù)?。利用NTC 熱敏電阻的自熱特性可實現(xiàn)自動增益控制，構成RC振蕩器穩(wěn)幅電路，延遲電路和保護電路。在自熱溫度遠大于環(huán)境溫度時阻值還與環(huán)境的散熱條件有關，因此在流速計、 流量計、氣體分析儀、熱導分析中常利用熱敏電阻這一特性，制成專用的檢測元件。PTC熱敏電阻主要用于電器設備的過熱保護、無觸點繼電器、恒溫、自動增益控制、電機啟動、時間延遲、彩色電視自動消磁、火災報警和溫度補償?shù)确矫妗＃?4）主要缺點：熱敏電阻阻值與溫度的關系非線性嚴重；元件的一致性差，互換性差；元件易

11、老化，穩(wěn)定性較差；除特殊高溫熱敏電阻外，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0 150范圍， 使用時必須注意。【可行性分析】測量之前，先記錄所用二極管的型號（為測出反向電流的數(shù)值，采用鍺管）和主要參數(shù)（即最大正向電流和最大反向電壓），再判別二極管的正、負級。為了測得晶體二級管的正向特性曲線，可按照圖 3.2-6 所示的電路聯(lián)線。 圖中 R 為保護晶體二級管的限流電阻， 電壓表的量限取1 伏左右。接通電源，緩慢地增加電壓， 例如，取 0.00V 、0.10V 、0.20V 、 ( 在電流變化大的地方，電壓間隔應取小一些) 讀出相應的電流值。最后斷開電源。有于二極管具有單向導電性，反向電阻很大， 為了測得反向特

12、性曲線，可按圖 3.2-7K+ mA -K+ A -+W+-W- V- VR圖 3.2-6 測晶體二極管正向伏安特性電圖 3.2-7 測晶體二極管反向伏安特性電聯(lián)接電路。將電流表換成微安表，電壓表換接比1 伏大的量限，接上電源，逐步改變電壓，例如取 0.00V 、 1.00V 、 2.00V 、, 讀取相應的電流值。測量熱敏電阻的伏安特性曲線時將二極管換成熱敏電阻，電流表選擇毫安表，電路和定值電阻的選擇看熱敏電阻的大小?！緦嶒灢襟E】1）記錄下所選非線性電阻的參數(shù)。LED ：最大功耗0.05w最大工作電流20mA正向電壓 <2.5V反向電壓 >5V 反向電流<50 A熱敏電阻：

13、（ 2 ）根據(jù)測量元件選擇電路圖。 測量 LED 正向伏安特性時， 因電阻較小所以選擇電流表外接法，而測量反向時電阻很大，電流很小，可將定值電阻拆除，選用微安表并內接，熱敏電阻根據(jù)阻值適當選取電表的接法。（3）測量二極管正向伏安特性曲線時，在電流值1mA 以下，從 0 開始，以電壓變化為基準，每隔 0.1V 測量一個點；在電流值1mA 以上，電壓每隔 0.02V 測量一個點；測量電流最大值小于最大工作電流。（4）測量二極管反向伏安特性曲線時，在電流值1mA 以下，從 0 開始，以電壓變化為基準，每隔 1V 測量一個點；在電流值1mA 以上，電流每隔 5mA 測量一個點；測量電壓最大值小于額定工作電壓。（6）測量熱敏電阻性曲線時，根據(jù)實際情況在變化大的地方多取幾個點。（7）在同一張直角坐標紙上畫出BT102 型二極管的正向和反向伏安特性曲線，分析二極管的伏安特性。正確選擇坐標軸比例，標明刻度、單位和圖名，連平滑的曲線，曲線不必通過每個實驗點?！緮?shù)據(jù)記錄】（ 1）二極管：正向電 壓（ v）電流（mA）電壓（ v）電 流（ mA）反向電 壓（ v）電 流( A