1實(shí)驗(yàn)一-電阻元件V-A特性測(cè)量解析

試驗(yàn)二

電阻元件V-A特性測(cè)量

電阻、二極管、穩(wěn)壓管、燈泡等是常用的電子元件，其伏安特性是很重要的電學(xué)參數(shù)。利用歐姆定律測(cè)導(dǎo)體電阻的方法稱伏安法。為了爭論材料的導(dǎo)電性，通常做出伏安特性曲線，了解它的電壓和電流的關(guān)系，伏安特性曲線為直線的元件稱為線性元件，伏安特性曲線不是直線的元件稱為非線性元件。這兩種元件電阻特性都可用伏安法測(cè)量。試驗(yàn)?zāi)康模?、把握電阻元件伏安特性測(cè)定方法。2、了解晶體二極管的正向?qū)щ娞匦?。試?yàn)儀器

HLD-DZC-II型電阻元件V-A測(cè)量試驗(yàn)儀

ZX21型可變電阻箱試驗(yàn)原理：〔一〕電阻元件V-A特性在確定溫度下，當(dāng)直流電流通過某一待測(cè)電阻Rx時(shí)，用電壓表測(cè)出Rx兩端的電壓U，同時(shí)用電流表測(cè)出通過Rx的電流I，依據(jù)歐姆定律計(jì)算：或這種測(cè)量電阻的方法即伏安法。假設(shè)U/I為常量，則該電阻稱為線性電阻；假設(shè)U/I不為常量，則稱該電阻為非線性電阻〔非線性元件〕，如二極管等。在實(shí)際測(cè)量中，由于電流表和電壓表各存在內(nèi)阻RA和RV，所以用式計(jì)算出的R測(cè)和真實(shí)值Rx不全都，而且選用不同的測(cè)量電路，其系統(tǒng)誤差也不一樣。以下是兩種測(cè)量電路的分析。用伏安法測(cè)量電阻，可承受圖1中的兩種接線方法。圖1伏安法測(cè)量電阻線路圖在圖1-(a)中，電流表的讀數(shù)I為通過R的電流，電壓表的讀數(shù)U不是UX,而是U=UX+UA則待測(cè)電阻的測(cè)量值為RA為電流表的內(nèi)阻，RA/RX是電流表內(nèi)阻給測(cè)量帶來的相對(duì)誤差?？梢?，承受圖1-(a)的接法時(shí)，測(cè)得的R比實(shí)際值偏大，假設(shè)知道內(nèi)阻的數(shù)值，則待測(cè)電阻可用下式計(jì)算。在圖1-(b)中，電壓表的讀數(shù)為UX，電流表的讀數(shù)為I=IV+IX。則待測(cè)電阻的測(cè)量值為

將用二項(xiàng)式定理開放，舍去高次項(xiàng)，可寫為

式中的RV為電壓表的內(nèi)阻，RX/RV是電壓表內(nèi)阻給測(cè)量帶來的相對(duì)誤差。可見，承受圖1-(b)的接法時(shí)，測(cè)得的電阻值R比實(shí)際RX偏小，假設(shè)知道RV的數(shù)值，則待測(cè)電阻RX可由下式求得。概括起來說，用伏安法測(cè)電阻時(shí)，由于線路方面的緣由，測(cè)得的電阻值總是偏大或是偏小，即存在確定的系統(tǒng)誤差。要確定究竟承受哪一種接法，必需事先對(duì)RX、RA、RV三者的相對(duì)電阻粗略地估量。當(dāng)RX》RA,而RV未必》RX大時(shí)，承受圖1-(a)接法。當(dāng)RX《RV，RX又不過分大于RA時(shí)，可承受圖1-(b)的接法。對(duì)于即滿足RX》RA，又滿足RX《RV關(guān)系的電阻，兩種接法都可以?！捕扯O管V-A特性

晶體二極管又叫半導(dǎo)體二極管，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間。假設(shè)在純潔半導(dǎo)體中摻入微量其他元素，其導(dǎo)電性能會(huì)有成千上萬倍的增長。半導(dǎo)體可分為兩種類型，一種是雜質(zhì)摻入到半導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生很多帶負(fù)電的電子，這種半導(dǎo)體叫N型半導(dǎo)體；另一種是雜質(zhì)加到半導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生很多缺少電子的空穴，這種半導(dǎo)體叫P型半導(dǎo)體。為了弄清在純潔半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，其導(dǎo)電性能大大提高的緣由，我們來看一下半導(dǎo)體的構(gòu)造。純潔半導(dǎo)體材料〔如硅、鍺〕，其原子構(gòu)造的共同特點(diǎn)是最外層的價(jià)電子數(shù)為4個(gè)。當(dāng)將硅、鍺半導(dǎo)體材料制成單晶體后，原子的排列由雜亂無序的狀態(tài)變成特殊整齊的狀態(tài)，原子間的距離是相等的，約為2.5×10-4μm。每個(gè)原子最外層的電子不僅受自身原子核的束縛，而且還與四周的4個(gè)原子發(fā)生聯(lián)系，形成共價(jià)鍵構(gòu)造。在熱激發(fā)狀態(tài)下，少數(shù)共有電子脫離原子核的束縛成為自由電子，在共價(jià)鍵位置上留下一個(gè)空穴，四周的共有電子很簡潔移動(dòng)過來填補(bǔ)空穴位置，從現(xiàn)象和效果上看，就像一個(gè)帶正電的空穴在移動(dòng)。因此在純潔半導(dǎo)體中，不僅有電子載流子，還有空穴載流子。在單晶半導(dǎo)體中這種載流子數(shù)量很少，導(dǎo)電力氣較差。假設(shè)我們?cè)诠鑶尉е袚饺肴齼r(jià)硼元素，由硼原子和四周的8個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵構(gòu)造，就多出一個(gè)空穴，得到P型半導(dǎo)體。在硅單晶中摻雜五價(jià)磷元素，磷原子最外層5個(gè)電子中有4個(gè)電子與四周的8個(gè)硅原子的外層電子組成共價(jià)鍵構(gòu)造，多出的一個(gè)電子成為自由電子，形成N型半導(dǎo)體?？梢?，半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)后其載流子數(shù)量大大增加，導(dǎo)電力氣也就大大提高了。晶體二極管是由兩種不同導(dǎo)電性能的P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合形成PN結(jié)所構(gòu)成的，正極由P型半導(dǎo)體引出，負(fù)極由N型半導(dǎo)體引出，其構(gòu)造和表示方法如圖2所示。由于P區(qū)中空穴濃度大，空穴由P區(qū)向N區(qū)集中；而N區(qū)中自由電子濃度大，自由電子就由N區(qū)向P區(qū)集中。在P區(qū)和N區(qū)交界面上形成一個(gè)帶正負(fù)電荷的薄層，稱為PN結(jié)。這個(gè)薄層內(nèi)正負(fù)電荷形成一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，其方向恰好與載流子集中方向相反。當(dāng)集中作用和內(nèi)電場(chǎng)作用平衡時(shí)，P區(qū)中空穴和N區(qū)中自由電子不再削減，帶電薄層不再增加，到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，我們稱帶電薄層為耗盡層，厚度約為幾十微米。當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)〔P接電源正，N接電源負(fù)〕，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，耗盡層變薄，載流子可順當(dāng)通過PN結(jié)，形成較大電流，故PN結(jié)正向?qū)щ姇r(shí)，電阻很小，如圖3所示。當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一樣，耗盡層變厚，載流子很難通過耗盡層，反向電流較小，反向電阻很大，二極管反向電壓在確定范圍內(nèi)電流不變化。晶體二極管的正反向伏安特曲線，電流、電壓具有非線性關(guān)系，各點(diǎn)電阻均不一樣，具有這種性質(zhì)的電阻稱為非線性電阻?！矞y(cè)量電路中為整流二極管〕試驗(yàn)內(nèi)容和步驟：試驗(yàn)前預(yù)備：生疏儀器面板操作，儀器預(yù)熱10分鐘，做試驗(yàn)按試驗(yàn)步驟操作切勿接錯(cuò)，以免損壞元件。標(biāo)準(zhǔn)電阻箱總電阻切記不能調(diào)到0，以免接入電路時(shí)造成誤接短路！內(nèi)容一:電阻測(cè)量：本試驗(yàn)分別選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻箱電阻為4500Ω和150Ω兩種狀況進(jìn)展測(cè)量?！?〕待測(cè)電阻為4500Ω時(shí)，因此時(shí)RX》RA，故可用前面圖1中a圖的電流表內(nèi)接法測(cè)量：測(cè)量數(shù)據(jù)及處理分析：電流表用20mA檔，電壓表用20V檔測(cè)量次數(shù)n12345678910U(v)I(mA)R=U/IΩ測(cè)量結(jié)果：RX

=

Ω?！?〕待測(cè)電阻為150Ω時(shí)，因此時(shí)VR》XR，故可用前面圖1中b圖的電流表外接法測(cè)量：用電流為200mA檔，電壓20V檔 次數(shù)n12345678910U(v)I(mA)R=U/IΩ測(cè)量結(jié)果：RX

=

Ω。內(nèi)容二:二極管的測(cè)量：本試驗(yàn)選擇硅管1N007?！矞y(cè)量時(shí)確定要加限流電阻〕接線如以以以下圖4所示〔二極管分別按正向或反向連接〕。試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)及處理分析。電流表為2mA或200μA檔，電壓表選擇2V檔測(cè)量直流穩(wěn)壓電源輸出須調(diào)整細(xì)調(diào)電位器。 次數(shù)n12345678910U(v)I(mA)測(cè)量結(jié)果：依據(jù)上表畫出二極管的V-A特性圖。留意事項(xiàng):

〔1〕為疼惜直流穩(wěn)壓電源和待測(cè)元件，測(cè)量前必需將電壓輸出調(diào)為零、標(biāo)準(zhǔn)電阻箱阻值放在最