實驗七_線性和非線性電學(xué)元件伏安特性的測量

1、實驗七線性電阻和非線性電阻的伏安特性曲線電阻是電學(xué)中常用的物理量。利用歐姆左律求導(dǎo)體電阻的方法稱為伏安法，它是測量電阻 的基本方法之一。為了研究材料的導(dǎo)電性，通常作岀苴伏安特性曲線，了解它的電壓與電流的關(guān)系。伏安特 性曲線是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菲線性元件。這兩種元 件的電阻都可用伏安法測量。但由于測量時電表被引入測量線路，電表內(nèi)阻必然會影響測量結(jié) 果，因而應(yīng)考慮對測量結(jié)果進行必要的修正，以減少系統(tǒng)誤差?！緦嶒?zāi)康摹?. 通過對線性電阻伏安特性的測量，學(xué)習正確選擇和使用伏安法測電阻的兩種線路。2. 通過對二極管伏安特性的測量，了解非線性電學(xué)元件的導(dǎo)電特性。3.

2、習按電路圖正確地接線，掌握限流電路和分壓電路的主要特點。4. 學(xué)會用作圖法處理實驗數(shù)據(jù)?！緦嶒瀮x器】歐姆左律實驗盒直流穩(wěn)壓電源滑線變阻器（2個）單刀開關(guān) 數(shù)字電流表 數(shù)字電壓表保護電阻【實驗原理】當一個元件兩端加上電壓，元件內(nèi)有電流通過時，電壓與電流之比稱為該元件的電阻。若 一個元件兩端的電壓與通過它的電流成比例，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(dǎo)體的電阻是線性電阻，它與外加電壓的大小和方向無關(guān)，英伏安特性是一條直 線（見圖1）,從圖上看岀，直線通過一、三象限。它

3、表明，當調(diào)換電阻兩端電壓的極性時， 電流也換向，而電阻始終為一立值，等于直線斜率的倒數(shù)R=VL(b)圖2半導(dǎo)體二極管的p-n結(jié)和表示符號常用的半導(dǎo)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(guān)，而且還與方向 下而對它的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能作一簡單介紹。半導(dǎo)體二極管又叫晶體二極管。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間。如果在純凈的 半導(dǎo)體中適當?shù)負饺霕O微量的雜質(zhì)，則半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就會有上百萬倍的增加。加到半導(dǎo)體 中的雜質(zhì)可分成兩種類型:一種雜質(zhì)加到半導(dǎo)體中去后,在半導(dǎo)體中會產(chǎn)生許多帶負電的電子, 這種半導(dǎo)體叫電子型半導(dǎo)體（也叫N型半導(dǎo)體）：另一種雜質(zhì)加到半導(dǎo)體中會產(chǎn)生許多缺少電子的空穴（空位

4、），這種半導(dǎo)體叫空穴型半導(dǎo)體（也叫P型半導(dǎo)體）。半導(dǎo)體二極管是由兩種具有不同導(dǎo)電性能的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合形成的p-n結(jié) 所構(gòu)成的。它有正、負兩個電極，正極由P型半導(dǎo)體引出，負極由n型半導(dǎo)體引出，如圖2（a） 所示。p-n結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦?，常用圖2 （b）所示的符號表示。關(guān)于p-n結(jié)的形成和導(dǎo)電性能可作如下解釋。如圖3 （a）所示，由于P區(qū)中空穴的濃度比n區(qū)大，空穴便由P區(qū)向n區(qū)擴散；同樣， 由于n區(qū)的電子濃度比P區(qū)大，電子便由n區(qū)向P區(qū)擴散。隨著擴散的進行，P區(qū)空穴減少， 岀現(xiàn)了一層帶負電的粒子區(qū)（以表示）：n區(qū)的電子減少，出現(xiàn)了一層帶正電的粒子區(qū)（以 表示）。結(jié)果在P型與n型半導(dǎo)

5、體交界的兩側(cè)附近，形成了帶正、負電的薄層區(qū)，稱為p-n結(jié)。 這個帶電薄層內(nèi)的正、負電荷產(chǎn)生了一個電場，其方向恰好與載流子（電子、空穴）擴散運動 的方向相反，使載流子的擴散受到內(nèi)電場的阻力作用，所以這個帶電薄層又稱為阻擋層。當擴 散作用與內(nèi)電場作用相等時，P區(qū)的空穴和n區(qū)的電子不再減少，阻擋層也不再增加，達到動 態(tài)平衡，這時二極管中沒有電流。-內(nèi)電場方向4擴散運動方向內(nèi)電場方向外電場方向+正向電流（較大）（b）圖3 p-n結(jié)的形成和單向?qū)щ娞匦匀鐖D3 （b）所示，當p-n結(jié)加上正向電壓（P區(qū)接正，n區(qū)接負）時，外電場與內(nèi)電場方 向相反，因而削弱了內(nèi)電場，使阻擋層變薄。這樣，載流子就能順利地通過p

6、-n結(jié)，形成比較 大的電流。所以，p-n結(jié)在正向?qū)щ姇r電阻很小。如圖3 （C）所示，當p-n結(jié)加上反向電壓（P區(qū)接負，n區(qū)接正）時，外加電場與內(nèi)電場 方向相同，因而加強了內(nèi)電場的作用，使阻擋層變厚。這樣，只有極少數(shù)載流子能夠通過p-n 結(jié)，形成很小的反向電流。所以p-n結(jié)的反向電阻很大。半導(dǎo)體二極管的正、反向特性曲線如圖四 所示。從圖上看岀，電流和電壓不是線性關(guān)系， 各點的電阻都不相同。凡具有這種性質(zhì)的電阻， 就稱為非線性電阻。二極管的伏安特性是非線性的，如圖4所示。 第一象限的曲線為正向伏安特性曲線，第三象限 的曲線為反向特性曲線。由曲線可看出，二極管 的電阻值（曲線上每一點的斜率）隨U、I

7、的變 化在很大的范用內(nèi)變化（稱為動態(tài)電阻）。當二極 管加正向電壓時，在OA段正向電流隨電壓的變化 緩慢，電阻值較大。在AB段二極管的電阻值隨U的增加很快變小，電流迅速上升，二極管 呈導(dǎo)通狀態(tài)。若二極管加反向電壓，在OC段，反向電流很小，并幾乎不隨反向電壓的增加而 變化。二極管呈截止狀態(tài)，電阻值很大。當電壓繼續(xù)增加，電流劇增，二極管被擊穿，電阻值(a)內(nèi)電場方向 外電場方向反向電流（很小）（C）I (毫安)100正向8060420死區(qū)/ A-50-25C Z- r O 0.40.8 V（伏）靑穿電壓5 / 反向F 4 （微安）圖4半導(dǎo)體二極管的伏安特性趨于零。因此，若要用伏安法較精確的測量二極管

8、的伏安特性曲線，必須正確地選擇測量線路?！痉卜y電阻的線路分析】歐姆左律是直流電路的基本泄律。在電阻R中通以電流I,其兩端的電壓為U,則有R=匕/用電壓表測得U,用電流表測得I,即可求出R“這種方法稱為“伏安法二用伏安法測電阻, 通常釆用圖七所示的兩種線路。圖5 (a)為電流表的內(nèi)接法，圖5 (b)為電流表的外接法。R1(a)內(nèi)接法R=Hn(b)外接法圖5測電阻的線路但是，由于電表有內(nèi)阻，無論采用內(nèi)接法還是外接法，均會給測量帶來系統(tǒng)誤差。在圖 七(a)中，設(shè)電流表的內(nèi)阻為Rz則 U=UR+叫U為電壓表的指示值。若將電壓表的指示值作為待測電阻R兩端的電位差，給測量帶來的系 統(tǒng)誤差為故有Ur=U

9、-UR=IRA =R只有當電流表內(nèi)阻Ra待測電阻R時，能使啟,用內(nèi)接法測量電阻不會帶來明顯的系 統(tǒng)誤差。同樣，在圖七(b)中，設(shè)電壓表的內(nèi)阻為Rv,貝IJI = IR+IvI為電流表指示值。若將電流表的指示值I作為流經(jīng)電阻R的電流，給測雖:帶來的系統(tǒng)誤差為 RlR =I-IR=IV =IR 匚-KV故有Ir R IR RV只有當電壓表內(nèi)阻遠大于待測電阻R時，能使學(xué)(),用外接法測量電阻不會帶來明顯的系 IR統(tǒng)誤差。綜合上兩種情況，可得當raa時，用內(nèi)接法系統(tǒng)誤差小。當RV阿兀時，用外接法系統(tǒng)誤差小。當R=血而時，兩種接法可任意選用。因此，通常只在對電阻值的測量精確度要求不髙時，才使用伏安法，并

10、且還要根據(jù)電表 的內(nèi)阻Ra、RV和待測電阻值的大小來合理選擇測雖線路。測左元件的伏安特性曲線與測量元件的電阻一樣，也存在著用電流表內(nèi)接還是外接的問 題，我們也應(yīng)根據(jù)待測元件電阻的大小，適當?shù)剡x擇電表和接法，減小系統(tǒng)誤差，使測出的伏 安特性曲線盡可能符合實際?！痉謮弘娐泛拖蘖麟娐贰恳獪y左元件的伏安特性曲線，就要改變加在元件上的電壓。利用滑線電阻來改變加在元件 上的電壓，方法有兩種：1. 限流電路如圖6所示，滑線電阻與待測元件串聯(lián)，改變滑線電阻的阻值，就可以改變待測元件與滑 線電阻的分壓比，從而達到調(diào)右待測元件電壓的目的。限流電路的特點：簡單、省電、但可調(diào) 節(jié)范圍小。待測電阻圖6 限流電路待測電阻

11、2. 分壓電路如圖7所示，當滑線電阻上有電流流過時，沿滑線電阻上各點的電位逐漸變化，當滑動點 P從A往B移動時，PA兩點的電壓逐漸升髙，從而使待測元件上得到連續(xù)變化的電壓。分壓電路的特點：調(diào)節(jié)范囤大，電壓變化的線性好，但較費電。3. 粗調(diào)與細調(diào)實驗中會發(fā)現(xiàn)只用一個滑線電阻有時很難調(diào)節(jié)到位。為此，可增加一個阻值較小的滑線電 阻作為細調(diào)，如圖8所示。TIRzJ RXTT(b)分壓+限流電路(a)雙分壓電路圖8粗調(diào)與細調(diào)【實驗內(nèi)容】(一)測繪金屬電阻的伏安特性曲線1. 按圖9接好線路，根拯待測電阻選擇開關(guān)K2接向還是“2S注意將分圧器Rl 的滑動端調(diào)至電壓為零的位置，將R2阻值調(diào)到最大：電流表和電壓

12、表的量限要選擇得適當。2. 經(jīng)教師檢查線路后，接通電源，將電源E調(diào)到10V,滑線電阻器的滑動頭，從零開始 逐步增大電壓（例如取0.00V.0.50V 1.00VJ.50V, 5.V）,讀出相應(yīng)的電流值3. 將電壓調(diào)為零，改變加在電阻上的電壓方向（可將電源電壓E正負調(diào)換），取電壓為0.00V, -0.50V, -1.00V, -1.50V,-5.V,讀出相應(yīng)的電流值。4. 將測得的正、反向電壓和相應(yīng)的電流值填入預(yù)先自擬的表格。以電壓為橫坐標，電流 為縱坐標，繪出金屬膜電阻的伏安特性曲線（注意：線兩側(cè)的數(shù)據(jù)點應(yīng)均勻分布）。5. 利用直線的斜率訃算電阻阻值。圖9測電阻伏安特性電路圖（二）測繪晶體二極

13、管的伏安特性曲線測量之前，先記錄所用晶體管的型號和主要參數(shù)（即最大正向電流和最大反向電壓），再 判別晶體管的正、負極。1. 為了測得晶體二極管的正向特性曲線，可按照圖10所示的電路連線。圖中R為保護 晶體二極管的保護電阻，電壓表的量限取2伏左右。經(jīng)教師檢查線路后，接通電源，緩幔地增 加電壓，例如，取0.00VAIOV.0.20V-（在電流變化大的地方，電壓間隔應(yīng)取小一些），讀出 相應(yīng)的電流值。最后斷開電源。圖10測晶體二極管正向伏安特性的電路圖圖11測晶體二極管反向伏安特性的電路圖2. 為了測得反向特性曲線，可按圖11連接電路。將電流表換到200“ A檔，電壓表換到 20V或200V的量限，接

14、上電源，逐步改變電壓，例如，取0.00V, 1.00V, 2.00V,，讀出 相應(yīng)的電流值。確認數(shù)據(jù)無錯誤和遺漏后，斷開電源，拆除線路。3. 以電圧為橫軸，電流為縱軸，利用測得的正.反向電壓和電流的數(shù)據(jù)，繪岀晶體二極 管的伏安特性曲線?！緮?shù)據(jù)記錄及處理】1.測繪電阻的伏安曲線（直線），并利用斜率求阻值R。U(V)0. 000. 501.001. 502. 002. 503. 003. 504.004. 505. 00KmA)利用直線的斜率計算電阻阻值2.測繪二極管的正向伏安特性曲線U(V)KmA)3.測繪二極管的反向伏安特性曲線U(V)K/A)把表2、表3中的數(shù)據(jù)作在一張圖上，即為二極管的伏安

15、特性曲線。【注意事項】1. 測半導(dǎo)體二極管的正向伏安特性時，亳安表讀數(shù)不得超過二極管允許通過的最大正向 電流值。2. 測半導(dǎo)體二極管反向伏安特性時，加在半導(dǎo)體管上的電壓不得超過管子允許的最大反 向電壓。此實驗選用的半導(dǎo)體二極管IN4007的最大反向電壓比較高，所以半導(dǎo)體二極管所加 反向電壓比較低時反向電流讀數(shù)接近零。實驗時，如果違反上述任一條規(guī)建，都將會損壞半導(dǎo)體二極管。3. 做50Q伏安特性實驗時，電阻兩端的電壓不要超過8V,晶體管兩端的電壓最大為20V 左右，以免燒壞電阻和晶體管。4. 電源不能短路。5. 數(shù)字電流表為四擋測量量程，各量程的內(nèi)阻不同，在做實驗時選好量程，盡量不要換量 程，各擋的內(nèi)阻詳見其使用說明書。【思考題】1. 在圖八中，開關(guān)打向“1”或“2”有何不同？為什么要采用這樣的接法？2. 如何作岀伏歐特性曲線（V-R曲線）？金屬膜電阻和半導(dǎo)體二極管的伏歐特性曲線各 具有什么特點？3. 測二極管正向特性，反向特性曲線時，為什么一個用外接，一個用內(nèi)接？以下是本小組的實驗數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)記錄與處理正向特性曲線數(shù)據(jù)如下表：電壓U(V)00. 10250. 16250. 16500. 20