非線性元件伏安特性測量演示文稿

非線性元件伏安特性測量演示文稿目前一頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點我們的實驗室目前二頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點物理實驗設(shè)計與應(yīng)用三非線性元件伏安特性測量及發(fā)光二極管應(yīng)用四溫度傳感器的溫度特性測量及應(yīng)用五光敏傳感器的光電特性測量及應(yīng)用

目前三頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點非線性元件伏安特性發(fā)光二極管

目的要求實驗儀器實驗原理實驗內(nèi)容思考題目前四頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點目的要求⑴掌握非線性元件伏安特性的測量方法、基本電路、誤差計算⑵掌握普通二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管的基本特性。準(zhǔn)確測量其正向?qū)ㄩ撝惦妷?、反向擊穿電壓，根?jù)發(fā)光二極管的正向工作電壓估算出它的峰值波長⑶畫出以上三種元件的伏安特性曲線目前五頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗儀器非線性元件伏安特性實驗儀的組成：直流穩(wěn)壓電源數(shù)字電壓表數(shù)字電流表可變電阻器普通二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管待測電阻等目前六頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗原理1.伏安特性2.半導(dǎo)體二極管3.穩(wěn)壓二極管4.發(fā)光二極管(LED)目前七頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點1.伏安特性(1)（1）給一個元件通以直流電，用電壓表測出元件兩端的電壓，用電流表測出通過元器件的電流。以電壓為橫坐標(biāo)、電流為縱坐標(biāo)，畫出電流和電壓的關(guān)系曲線，稱為該元件的伏安特性曲線。這種研究元件特性的方法稱為伏安法UI0目前八頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點1.伏安特性(2)（2）伏安特性曲線為直線的元件稱為線性元件，如電阻（3）伏安特性曲線為非直線的元件稱為非線性元件，如二極管、三極管等UI0UI0目前九頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點1.伏安特性(3)（4）伏安法的主要用途是測量研究線性和非線性元件的電特性（5）有些元件伏安特性除了與電壓、電流有關(guān)，還與某一物理量的變化呈規(guī)律性變化，例如溫度、光照度、磁場強度等，這就是各種物理量的傳感元件目前十頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點1.伏安特性(4)根據(jù)歐姆定律，電阻R、電壓U、電流I,

關(guān)系為

R=U/I

由電壓表和電流表的示值計算可得待測元件的阻值非線性元件的R是一個變量，分析它的阻值必須指出其工作電壓（或電流）非線性元件的電阻有兩種方法表示

RD——靜態(tài)電阻（或稱為直流電阻）

rD——動態(tài)電阻，等于工作點附近的電壓改變量與電流改變量之比目前十一頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點1.伏安特性(5)圖中Q

點的靜態(tài)電阻RD=UQ

/IQ

動態(tài)電阻

rD

=△U/△IUI0IQUQIQU目前十二頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點2.半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管是一種常用的非線性元件由P型、N

型半導(dǎo)體材料制成PN

結(jié)經(jīng)歐姆接觸引出電極封裝兩個電極分別為正極、負極二極管的結(jié)構(gòu)

電路圖中的常用符號目前十三頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點2.半導(dǎo)體二極管

二極管的電流I

和電壓U滿足下式

I=Is(eqU/kT–1)

在常溫條件下，且U>0.1V

時，可近似為

I=IseqU/kT

q=1.602×10-19

C

電子電量

k=1.381×10-23J/K玻爾茲曼常數(shù)

T

絕對溫度

Is

反向飽和電流

e=2.71828 自然常數(shù)目前十四頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點2.半導(dǎo)體二極管二極管的主要特點是單向?qū)щ娦苑蔡匦郧€UD正向?qū)ㄩ撝惦妷篒s反向飽和電流UB反向擊穿電壓目前十五頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點2.半導(dǎo)體二極管

正向電壓和反向電壓較小時，電流都較小正向電壓加大到某一數(shù)值UD

時，正向電流明顯增大隨著電壓加大，電流急劇增大，伏安曲線趨近一直線，將此段直線反向延長與橫軸相交，交點UD稱做正向?qū)ㄩ撝惦妷汗瓒O管UD=0.6~0.8V，鍺二極管UD=0.2~0.3V

反向電壓較大時，電流趨近極限值Is，反向飽和電流反向電壓超過某一數(shù)值UB

時，電流急劇增大，這種情況稱做擊穿，UB稱做反向擊穿電壓目前十六頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點2.半導(dǎo)體二極管

主要參數(shù)正向?qū)ㄩ撝惦妷篣D

最大整流電流If

即二極管正常工作時允許通過的最大正向平均電流最大反向電壓Ubr

一般取反向擊穿電壓UB的一半反向電流Ir

在漏電流可以忽略時，是反向飽和電流Is的額定值目前十七頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點2.半導(dǎo)體二極管

應(yīng)用：（二極管具有單向?qū)щ娦裕┏Ｓ糜谡鳈z波限幅元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等目前十八頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點3穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是一種特殊的半導(dǎo)體二極管符號伏安特性曲線目前十九頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點3穩(wěn)壓二極管

正向伏安特性曲線與普通二極管的類似只是達到反向擊穿電壓之后，在穩(wěn)壓值附近一個很寬的電流范圍內(nèi)（如圖中的Imin~Imax段），伏安特性曲線十分陡直，在這個區(qū)域內(nèi)，改變外加電壓，僅引起通過穩(wěn)壓二極管的電流變化，而穩(wěn)壓管的端電壓將維持恒定，一般取電流所對應(yīng)的電壓值Uw作為穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值目前二十頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點3穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū)。與一般二極管不同，穩(wěn)壓管的反向擊穿是可逆的，即去掉反向電壓，穩(wěn)壓管又恢復(fù)正常。當(dāng)然，如果反向電流超過允許范圍，穩(wěn)壓管同樣會因熱擊穿而燒壞穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)：穩(wěn)定電壓Uw、動態(tài)電阻rD，最小穩(wěn)定電流Imin和最大穩(wěn)定電流Imax等穩(wěn)壓二極管經(jīng)常用在穩(wěn)壓、恒流等電路中目前二十一頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點4發(fā)光二極管(LED)

由III-V族化合物，如：

GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、

GaASP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體材料制成核心是PN結(jié)，具有一般PN結(jié)的伏安特性即：正向?qū)?、反向截止、擊穿特?/p>

LED的表示符號，如圖4（a）工作的基本原理，如圖4（b）目前二十二頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點4發(fā)光二極管(LED)LED的表示符號

LED工作的基本原理目前二十三頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點4發(fā)光二極管(LED)

具有發(fā)光特性，工作的基本原理：在正向電壓下電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)進入P區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合進入N區(qū)的空穴和N區(qū)的電子復(fù)合以發(fā)光的形式輻射出多余的能量發(fā)光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生目前二十四頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點4發(fā)光二極管(LED)光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體禁帶寬度Eg有關(guān)即λ≈1240/Eg(nm)Eg的單位為電子伏特（eV）若能產(chǎn)生的可見光波長在380nm(紫)～780nm(紅）半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間目前已有紅外、紅、黃、綠、白、藍光等發(fā)光二極管

(比紅光波長長的光為紅外光)目前二十五頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點4發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管(LED)的主要參數(shù)：⑴最大正向電流IFm：允許的最大正向直流電流，超過此值LED損壞⑵正向工作電流IF：正常發(fā)光時的正向電流值在實際使用中應(yīng)根據(jù)亮度需要選擇IF在0.6IFm以下⑶正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下測得的，一般是在IF=20mA時測得的，在1.4～3V目前二十六頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點4發(fā)光二極管(LED)⑷最大反向電壓VRm：允許的最大反向電壓超過此值LED可能被擊穿損壞⑸允許功耗Pm：允許加在LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值超過此值LED發(fā)熱損壞⑹伏安特性：圖5表示⑺光譜分布和峰值波長：某一個LED所發(fā)的光并不是單一波長，其波長大體按圖6所示

目前二十七頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點4發(fā)光二極管(LED)由圖I/mAU/V0123123450.10.20.30.4-5-10-15目前二十八頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點4發(fā)光二極管(LED)

峰值波長：LED所發(fā)之光中某一波長λ0的光強最大光譜半寬度△λ：1/2峰值光強所對應(yīng)兩波長之間隔表示LED的光譜純度（發(fā)光強度IV、半值角θ1/2和視角等指標(biāo)也很重要但本實驗不作研究）目前二十九頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗內(nèi)容實驗1(a)限流和分壓電路實驗實驗1(b)限流和分壓電路實驗實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性實驗3測量穩(wěn)壓二極管的正向、反向伏安特性實驗4測量發(fā)光二極管的正向、反向伏安特性目前三十頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗1(a)限流和分壓電路實驗用伏安法測量電阻阻值，了解電阻分壓電路原理分壓電阻Rx1可調(diào)，分壓保護電阻R2限流電阻Rx2可調(diào)，限流保護電阻R3待測電阻R1CA5VRx1R2BAR3Rx2R1V目前三十一頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗1(a)限流和分壓電路實驗

Rx1=0-1KΩ可調(diào)，R2=100Ω

Rx2=0-1KΩ可調(diào)，R3=100Ω待測電阻R1≈100ΩCA5VRx1R2BAR3Rx2R1V目前三十二頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗1(a)限流和分壓電路實驗

調(diào)節(jié)Rx1

，測量UCA，記錄電壓UCA變化范圍調(diào)節(jié)Rx2

，測量I，記錄電流I變化范圍用伏安法測量待測電阻的阻值，即R1=UR1/ICA5VRx1R2BAR3Rx2R1V目前三十三頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗1(b)限流和分壓電路實驗用分壓、限流原理使原0-2V

的數(shù)字電壓表能測試0-20V

的電壓圖中：R1=900

KΩR2=100

KΩ0-2V0-20VR2R10-2V數(shù)字電壓表目前三十四頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性正向特性：電壓從最小開始調(diào)節(jié)，觀察正向電流當(dāng)開始有正向電流時，即很慢地調(diào)節(jié)Rx1使電壓緩慢變化正向電流達到10mA時實驗結(jié)束記錄I–U關(guān)系數(shù)據(jù)在作圖紙上描出正向伏安特性曲線目前三十五頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性R1CA5VRx1R2BAR3Rx2V目前三十六頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性

Rx1=0-1KΩ可調(diào)，R2=100Ω

Rx2=0-1KΩ可調(diào)，R3=100Ω

D正向CA5VRx1R2BAR3Rx2VD正向目前三十七頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性反向擊穿特性：電壓從最小開始調(diào)節(jié)，觀察反向電流當(dāng)反向電流開始增大時必須特別注意，立即用電壓微調(diào)開始慢慢調(diào)節(jié)并注意觀察反向電流當(dāng)反向電流有突變趨勢并≥20mA時，必須立即調(diào)小電壓，否則二極管有可能被燒壞記錄數(shù)據(jù)，并在圖紙上描出反向伏安特性曲線注意限流保護，反向擊穿電壓最高做到24V

正、反向分二次做目前三十八頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性VCA5VRx1R4BAR5Rx2D正向目前三十九頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性

Rx1=0-1KΩ可調(diào)，R4=100Ω

Rx2=0-1KΩ可調(diào)，R5=1KΩ

D反向CA5VRx1R4BAR5Rx2D反向V目前四十頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗3測量穩(wěn)壓二極管的正向、反向伏安特性正向特性：電壓從最小開始調(diào)節(jié)，觀察正向電流當(dāng)開始有正向電流時，即很慢地調(diào)節(jié)Rx1使電壓緩慢變化正向電流達到10mA時實驗結(jié)束記錄I–U關(guān)系數(shù)據(jù)在作圖紙上描出正向伏安特性曲線目前四十一頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗3測量穩(wěn)壓二極管的正向、反向伏安特性反向擊穿特性（穩(wěn)壓特性）：測出反向電流達10mA

時穩(wěn)壓二極管的反向擊穿電壓（穩(wěn)定電壓）用伏安法求出穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻說明動態(tài)電阻的大小對穩(wěn)壓特性的影響記錄數(shù)據(jù)，并在作圖紙上描出反向伏安特性曲線

目前四十二頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗4測量發(fā)光二極管的正向、反向伏安特性發(fā)光二極管的正向伏安特性與一般二極管相似，它的導(dǎo)通電壓即為發(fā)光二極管的點亮電壓它的峰值波長與半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，故不同材料制成的發(fā)光二極管會發(fā)出不同峰值波長的光，且導(dǎo)通電壓也會因半導(dǎo)體材料禁帶寬度不同而不同本實驗提供紅、黃、綠三種發(fā)光二極管，分別測出它們的導(dǎo)通電壓，并根據(jù)導(dǎo)通電壓估算出它們的峰值波長目前四十三頁\總數(shù)四十七頁\編于二十點實驗4測量發(fā)光二極管的正向、反向伏安特性正向特性電壓從最小開始調(diào)節(jié)，觀察正向電流當(dāng)開始有正向電流時即用電壓微調(diào)調(diào)節(jié)