3-非线性元件伏安特性测量-2

1、物理实验设计与应用（高中）,朱炯明 上海师范大学 数理信息学院,我们的实验室,物理实验设计与应用,三 非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用 四 温度传感器的温度特性测量及应用 五 光敏传感器的光电特性测量及应用,非线性元件伏安特性 发光二极管,目的要求 实验仪器 实验原理 实验内容 思考题,目的要求, 掌握非线性元件伏安特性的测量方法、基本电路、误差计算 掌握普通二极管、稳压二极管、发光二极管的基本特性。准确测量其正向导通阈值电压、反向击穿电压，根据发光二极管的正向工作电压估算出它的峰值波长 画出以上三种元件的伏安特性曲线,实验仪器,非线性元件伏安特性实验仪 的组成： 直流稳压电源 数字电压

2、表 数字电流表 可变电阻器 普通二极管、稳压二极管、发光二极管 待测电阻 等,实验原理,1. 伏安特性 2. 半导体二极管 3. 稳压二极管 4. 发光二极管 ( LED ),1. 伏安特性 (1),（1）给一个元件通以直流电，用电压表测出元件两端的电压，用电流表测出通过元器件的电流。以电压为横坐标、电流为纵坐标，画出电流和电压的关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。这种研究元件特性的方法称为伏安法,1. 伏安特性 (2),（2）伏安特性曲线为直线的元件称为线性元件，如电阻 （3）伏安特性曲线为非直线的元件称为非线性元件， 如二极管、三极管等,1. 伏安特性 (3),（4）伏安法的主要用途是测量

3、研究线性和非线性元件的电特性 （5）有些元件伏安特性除了与电压、电流有关，还与某一物理量的变化呈规律性变化，例如温度、光照度、磁场强度等，这就是各种物理量的传感元件,1. 伏安特性 (4),根据欧姆定律，电阻 R、电压 U、电流 I, 关系为 R = U / I 由电压表和电流表的示值计算可得待测元件的阻值 非线性元件的 R 是一个变量，分析它的阻值必须指出其工作电压（或电流） 非线性元件的电阻有两种方法表示 RD 静态电阻（或称为直流电阻） rD 动态电阻，等于工作点附近的电压改变量与电流改变量之比,1. 伏安特性 (5),图中 Q 点的 静态电阻 RD = UQ / IQ 动态电阻 rD

4、= U / I,I,2. 半导体二极管,半导体二极管是一种常用的非线性元件 由 P 型、N 型半导体材料制成 PN 结 经欧姆接触引出电极封装 两个电极分别为正极、负极 二极管的结构,电路图中的常用符号,2. 半导体二极管,二极管的电流 I 和电压 U 满足下式 I = Is(e qU/kT 1) 在常温条件下，且 U 0.1V 时，可近似为 I = Ise qU/kT q = 1.602 10 -19 C 电子电量 k = 1.381 10 -23 J/K 玻尔兹曼常数 T 绝对温度 Is 反向饱和电流 e = 2.71828 自然常数,2. 半导体二极管,二极管的主要特点是单向导电性 伏安

5、特性曲线 UD正向导通阈值电压 Is 反向饱和电流 UB 反向击穿电压,2. 半导体二极管,正向电压和反向电压较小时，电流都较小 正向电压加大到某一数值 UD 时，正向电流明显增大 随着电压加大，电流急剧增大，伏安曲线趋近一直线，将此段直线反向延长与横轴相交，交点UD称做正向导通阈值电压 硅二极管 UD = 0.6 0.8 V，锗二极管 UD = 0.2 0.3 V 反向电压较大时，电流趋近极限值 Is ，反向饱和电流 反向电压超过某一数值 UB 时，电流急剧增大，这种情况称做击穿，UB 称做反向击穿电压,2. 半导体二极管,主要参数 正向导通阈值电压 UD 最大整流电流 If 即二极管正常工

6、作时允许通过的最大正向平均电流 最大反向电压 Ubr 一般取反向击穿电压 UB 的一半 反向电流 Ir 在漏电流可以忽略时，是反向饱和电流 Is 的额定值,2. 半导体二极管,应用：（二极管具有单向导电性）常用于 整流 检波 限幅 元件保护 以及在数字电路中作为开关元件 等,3 稳压二极管,稳压二极管是一种特殊的半导体二极管 符号 伏安特性曲线,3 稳压二极管,正向伏安特性曲线与普通二极管的类似 只是达到反向击穿电压之后，在稳压值附近一个很宽的电流范围内（如图中的 Imin Imax 段），伏安特性曲线十分陡直，在这个区域内，改变外加电压，仅引起通过稳压二极管的电流变化，而稳压管的端电压将维持

7、恒定，一般取电流 所对应的电压值Uw作为稳压二极管的稳压值,3 稳压二极管,稳压二极管工作在反向击穿区。与一般二极管不同，稳压管的反向击穿是可逆的，即去掉反向电压，稳压管又恢复正常。当然，如果反向电流超过允许范围，稳压管同样会因热击穿而烧坏 稳压二极管的主要参数： 稳定电压 Uw、动态电阻 rD，最小稳定电流 Imin和最大稳定电流 Imax等 稳压二极管经常用在 稳压、恒流 等电路中,4 发光二极管(LED),由 III-V 族化合物，如： GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、 GaASP（磷砷化镓）等 半导体材料制成 核心是 PN 结，具有一般 PN 结的伏安特性 即： 正向导通、反向截

8、止、击穿特性 LED 的表示符号，如图 4（a） 工作的基本原理， 如图 4（b）,4 发光二极管(LED),LED 的表示符号 LED工作的基本原理,4 发光二极管(LED),具有发光特性，工作的基本原理： 在正向电压下 电子由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区 进入 P 区的电子和 P 区的空穴复合 进入 N 区的空穴和 N 区的电子复合 以发光的形式辐射出多余的能量 发光仅在靠近 PN 结面 数m 以内产生,4 发光二极管(LED),光的峰值波长与发光区域的半导体禁带宽度 Eg 有关 即 1240/Eg(nm) Eg 的单位为电子伏特（eV） 若能产生的可见光波长在 380

9、nm(紫)780nm(红） 半导体材料的 Eg 应在 3.261.63 eV 之间 目前已有 红外、红、黄、绿、白、蓝光等发光二极管 ( 比红光波长长的光为红外光 ),4 发光二极管(LED),发光二极管 (LED) 的主要参数： 最大正向电流 IFm：允许的最大正向直流电流， 超过此值 LED 损坏 正向工作电流 IF：正常发光时的正向电流值 在实际使用中应根据亮度需要选择 IF 在 0.6 IFm以下 正向工作电压 VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下测得的，一般是在 IF = 20 mA 时测得的，在 1.43 V,4 发光二极管(LED), 最大反向电压 VRm：允许的最大

10、反向电压 超过此值 LED 可能被击穿损坏 允许功耗 Pm：允许加在 LED 两端正向直流电压与 流过它的电流之积的最大值 超过此值 LED 发热损坏 伏安特性：图 5 表示 光谱分布和峰值波长：某一个 LED 所发的光并不是单一波长，其波长大体按图 6 所示,4 发光二极管(LED),由图,4 发光二极管(LED),峰值波长：LED 所发之光中某一波长0 的光强最大 光谱半宽度：1/2 峰值光强所对应两波长之间隔 表示 LED 的光谱纯度 （ 发光强度 IV、半值角1/2 和 视角等指标也很重要 但本实验不作研究 ）,实验内容,实验1(a) 限流和分压电路实验 实验1(b) 限流和分压电路实

11、验 实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性 实验3 测量稳压二极管的正向、反向伏安特性 实验4 测量发光二极管的正向、反向伏安特性,实验1(a) 限流和分压电路实验,用伏安法测量电阻阻值，了解电阻分压电路原理 分压电阻 Rx1可调，分压保护电阻 R2 限流电阻 Rx2可调，限流保护电阻 R3 待测电阻 R1,实验1(a) 限流和分压电路实验,Rx1= 0 - 1K可调， R2 =100 Rx2= 0 - 1K可调， R3 =100 待测电阻 R1100,实验1(a) 限流和分压电路实验,调节 Rx1 ，测量UCA ，记录电压UCA变化范围 调节 Rx2 ，测量 I ， 记录电流 I 变化范

12、围 用伏安法测量待测电阻的阻值，即 R1= UR1 / I,实验1(b) 限流和分压电路实验,用分压、限流原理使原 0 - 2V 的数字电压表 能测试 0 - 20V 的电压 图中： R1 = 900 K R2 = 100 K,实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性,正向特性： 电压从最小开始调节，观察正向电流 当开始有正向电流时，即很慢地调节 Rx1 使电压 缓慢变化 正向电流达到 10mA 时实验结束 记录 I U 关系数据 在作图纸上描出正向伏安特性曲线,实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性,实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性,Rx1= 0 - 1K可调， R2 =10

13、0 Rx2= 0 - 1K可调， R3 =100 D 正向,A,R3,Rx2,实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性,反向击穿特性： 电压从最小开始调节，观察反向电流 当反向电流开始增大时必须特别注意，立即用电 压微调开始慢慢调节并注意观察反向电流 当反向电流有突变趋势并20mA时，必须立即调 小电压，否则二极管有可能被烧坏 记录数据，并在图纸上描出反向伏安特性曲线 注意限流保护，反向击穿电压最高做到 24V 正、反向分二次做,实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性,实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性,Rx1= 0 - 1K可调， R4 =100 Rx2= 0 - 1K可调，

14、R5 =1 K D 反向,实验3 测量稳压二极管的正向、反向伏安特性,正向特性： 电压从最小开始调节，观察正向电流 当开始有正向电流时，即很慢地调节 Rx1 使电压 缓慢变化 正向电流达到 10mA 时实验结束 记录 I U 关系数据 在作图纸上描出正向伏安特性曲线,实验3 测量稳压二极管的正向、反向伏安特性,反向击穿特性（稳压特性）： 测出反向电流达 10 mA 时稳压二极管的 反向击穿电压（稳定电压） 用伏安法求出稳压二极管的动态电阻 说明动态电阻的大小对稳压特性的影响 记录数据，并在作图纸上描出反向伏安特性曲线,实验4 测量发光二极管的正向、反向伏安特性,发光二极管的正向伏安特性与一般二

15、极管相似，它的导通电压即为发光二极管的点亮电压 它的峰值波长与半导体材料禁带宽度Eg有关，故不同材料制成的发光二极管会发出不同峰值波长的光，且导通电压也会因半导体材料禁带宽度不同而不同 本实验提供红、黄、绿三种发光二极管，分别测出它们的导通电压，并根据导通电压估算出它们的峰值波长,实验4 测量发光二极管的正向、反向伏安特性,正向特性 电压从最小开始调节，观察正向电流 当开始有正向电流时即用电压微调调节电压，记下它们导通电压（点亮电压） 正向电流达到 10mA 时结束 ( 正向电流最大不能超过20mA，否则LED可能烧坏 ) 在作图纸上描出正向伏安特性曲线,实验4 测量发光二极管的正向、反向伏安

16、特性,反向击穿特性 当反向电流开始增大时必须特别注意，立即用电压微调开始慢慢调节并注意观察反向电流，当反向电流有突变趋势并 5mA 时必须立即调小电压，否则发光二极管有可能被烧坏。在作图纸上描出反向伏安特性曲线 ( 注意限流保护，正、反向分二次做 ),思考题,1. 为什么测量二极管正、反向特性时电压表的接法不同？为什么 Rx2 和 Rx4 的保护电阻选择的值也不一样？ 2. 什么是静态电阻和动态电阻，说明二者区别？ 3. PN结正向伏安特性曲线的函数形式可能是什么类型？写出其标准形式。从实验数据求出二极管（PN结）I U 关系的经验公式。 4. 设计一种方法，判断红、绿、蓝三基色发光二极管各自发光的波长范围