實(shí)驗(yàn)七_(dá)線性和非線性電學(xué)元件伏安特性的測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)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(chēng)為伏安法，它是測(cè)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(chēng)為線性元件，伏安特性曲線不是直線的元件稱(chēng)為菲線性元件。這兩種元 件的電阻都可用伏安法測(cè)量。但由于測(cè)量時(shí)電表被引入測(cè)量線路，電表內(nèi)阻必然會(huì)影響測(cè)量結(jié) 果，因而應(yīng)考慮對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行必要的修正，以減少系統(tǒng)誤差。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 通過(guò)對(duì)線性電阻伏安特性的測(cè)量，學(xué)習(xí)正確選擇和使用伏安法測(cè)電阻的兩種線路。2. 通過(guò)對(duì)二極管伏安特性的測(cè)量，了解非線性電學(xué)元件的導(dǎo)電特性。3.

2、習(xí)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(diǎn)。4. 學(xué)會(huì)用作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。【實(shí)驗(yàn)儀器】歐姆左律實(shí)驗(yàn)盒直流穩(wěn)壓電源滑線變阻器（2個(gè)）單刀開(kāi)關(guān) 數(shù)字電流表 數(shù)字電壓表保護(hù)電阻【實(shí)驗(yàn)原理】當(dāng)一個(gè)元件兩端加上電壓，元件內(nèi)有電流通過(guò)時(shí)，電壓與電流之比稱(chēng)為該元件的電阻。若 一個(gè)元件兩端的電壓與通過(guò)它的電流成比例，則伏安特性曲線為一條直線，這類(lèi)元件稱(chēng)為線性 元件。若元件兩端的電壓與通過(guò)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(lèi)元件稱(chēng)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(wú)關(guān)，英伏安特性是一條直 線（見(jiàn)圖1）,從圖上看岀，直線通過(guò)一、三象限。它

3、表明，當(dāng)調(diào)換電阻兩端電壓的極性時(shí)， 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(hào)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(duì)它的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能作一簡(jiǎn)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(dāng)?shù)負(fù)饺霕O微量的雜質(zhì)，則半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就會(huì)有上百萬(wàn)倍的增加。加到半導(dǎo)體 中的雜質(zhì)可分成兩種類(lèi)型:一種雜質(zhì)加到半導(dǎo)體中去后,在半導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生許多帶負(fù)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(huì)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(fù)兩個(gè)電極，正極由P型半導(dǎo)體引出，負(fù)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姷奶匦裕Ｓ脠D2 （b）所示的符號(hào)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(kuò)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(kuò)散。隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，P區(qū)空穴減少， 岀現(xiàn)了一層帶負(fù)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(fù)電的薄層區(qū)，稱(chēng)為p-n結(jié)。 這個(gè)帶電薄層內(nèi)的正、負(fù)電荷產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng)，其方向恰好與載流子（電子、空穴）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 的方向相反，使載流子的擴(kuò)散受到內(nèi)電場(chǎng)的阻力作用，所以這個(gè)帶電薄層又稱(chēng)為阻擋層。當(dāng)擴(kuò) 散作用與內(nèi)電場(chǎng)作用相等時(shí)，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(dá)到動(dòng) 態(tài)平衡，這時(shí)二極管中沒(méi)有電流。-內(nèi)電場(chǎng)方向4擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向外電場(chǎng)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(dāng)p-n結(jié)加上正向電壓（P區(qū)接正，n區(qū)接負(fù)）時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方 向相反，因而削弱了內(nèi)電場(chǎng)，使阻擋層變薄。這樣，載流子就能順利地通過(guò)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(shí)電阻很小。如圖3 （C）所示，當(dāng)p-n結(jié)加上反向電壓（P區(qū)接負(fù)，n區(qū)接正）時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng) 方向相同，因而加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)的作用，使阻擋層變厚。這樣，只有極少數(shù)載流子能夠通過(guò)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(diǎn)的電阻都不相同。凡具有這種性質(zhì)的電阻， 就稱(chēng)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(diǎn)的斜率）隨U、I

7、的變 化在很大的范用內(nèi)變化（稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電阻）。當(dāng)二極 管加正向電壓時(shí)，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?fàn)顟B(tài)，電阻值很大。當(dāng)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(chǎng)方向 外電場(chǎng)方向反向電流（很?。–）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(cè)量二極管

8、的伏安特性曲線，必須正確地選擇測(cè)量線路?！痉卜y(cè)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(cè)得U,用電流表測(cè)得I,即可求出R“這種方法稱(chēng)為“伏安法二用伏安法測(cè)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(cè)電阻的線路但是，由于電表有內(nèi)阻，無(wú)論采用內(nèi)接法還是外接法，均會(huì)給測(cè)量帶來(lái)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(cè)電阻R兩端的電位差，給測(cè)量帶來(lái)的系 統(tǒng)誤差為故有Ur=U

9、-UR=IRA =R只有當(dāng)電流表內(nèi)阻Ra待測(cè)電阻R時(shí)，能使啟,用內(nèi)接法測(cè)量電阻不會(huì)帶來(lái)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(cè)雖:帶來(lái)的系統(tǒng)誤差為 RlR =I-IR=IV =IR 匚-KV故有Ir R IR RV只有當(dāng)電壓表內(nèi)阻遠(yuǎn)大于待測(cè)電阻R時(shí)，能使學(xué)(),用外接法測(cè)量電阻不會(huì)帶來(lái)明顯的系 IR統(tǒng)誤差。綜合上兩種情況，可得當(dāng)raa時(shí)，用內(nèi)接法系統(tǒng)誤差小。當(dāng)RV阿兀時(shí)，用外接法系統(tǒng)誤差小。當(dāng)R=血而時(shí)，兩種接法可任意選用。因此，通常只在對(duì)電阻值的測(cè)量精確度要求不髙時(shí)，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(cè)電阻值的大小來(lái)合理選擇測(cè)雖線路。測(cè)左元件的伏安特性曲線與測(cè)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(wèn) 題，我們也應(yīng)根據(jù)待測(cè)元件電阻的大小，適當(dāng)?shù)剡x擇電表和接法，減小系統(tǒng)誤差，使測(cè)出的伏 安特性曲線盡可能符合實(shí)際?！痉謮弘娐泛拖蘖麟娐贰恳獪y(cè)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(lái)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(cè)元件串聯(lián)，改變滑線電阻的阻值，就可以改變待測(cè)元件與滑 線電阻的分壓比，從而達(dá)到調(diào)右待測(cè)元件電壓的目的。限流電路的特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、省電、但可調(diào) 節(jié)范圍小。待測(cè)電阻圖6 限流電路待測(cè)電阻

11、2. 分壓電路如圖7所示，當(dāng)滑線電阻上有電流流過(guò)時(shí)，沿滑線電阻上各點(diǎn)的電位逐漸變化，當(dāng)滑動(dòng)點(diǎn) P從A往B移動(dòng)時(shí)，PA兩點(diǎn)的電壓逐漸升髙，從而使待測(cè)元件上得到連續(xù)變化的電壓。分壓電路的特點(diǎn)：調(diào)節(jié)范囤大，電壓變化的線性好，但較費(fèi)電。3. 粗調(diào)與細(xì)調(diào)實(shí)驗(yàn)中會(huì)發(fā)現(xiàn)只用一個(gè)滑線電阻有時(shí)很難調(diào)節(jié)到位。為此，可增加一個(gè)阻值較小的滑線電 阻作為細(xì)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(xì)調(diào)【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】(一)測(cè)繪金屬電阻的伏安特性曲線1. 按圖9接好線路，根拯待測(cè)電阻選擇開(kāi)關(guān)K2接向還是“2S注意將分圧器Rl 的滑動(dòng)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(dāng)。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(dòng)頭，從零開(kāi)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(fù)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(cè)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(biāo)，電流 為縱坐標(biāo)，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(diǎn)應(yīng)均勻分布）。5. 利用直線的斜率訃算電阻阻值。圖9測(cè)電阻伏安特性電路圖（二）測(cè)繪晶體二極

13、管的伏安特性曲線測(cè)量之前，先記錄所用晶體管的型號(hào)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(fù)極。1. 為了測(cè)得晶體二極管的正向特性曲線，可按照?qǐng)D10所示的電路連線。圖中R為保護(hù) 晶體二極管的保護(hù)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(kāi)電源。圖10測(cè)晶體二極管正向伏安特性的電路圖圖11測(cè)晶體二極管反向伏安特性的電路圖2. 為了測(cè)得反向特性曲線，可按圖11連接電路。將電流表?yè)Q到200“ A檔，電壓表?yè)Q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(rèn)數(shù)據(jù)無(wú)錯(cuò)誤和遺漏后，斷開(kāi)電源，拆除線路。3. 以電圧為橫軸，電流為縱軸，利用測(cè)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(cè)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(jì)算電阻阻值2.測(cè)繪二極管的正向伏安特性曲線U(V)KmA)3.測(cè)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?！咀⒁馐马?xiàng)】1. 測(cè)半導(dǎo)體二極管的正向伏安特性時(shí)，亳安表讀數(shù)不得超過(guò)二極管允許通過(guò)的最大正向 電流值。2. 測(cè)半導(dǎo)體二極管反向伏安特性時(shí)，加在半導(dǎo)體管上的電壓不得超過(guò)管子允許的最大反 向電壓。此實(shí)驗(yàn)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(shí)反向電流讀數(shù)接近零。實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果違反上述任一條規(guī)建，都將會(huì)損壞半導(dǎo)體二極管。3. 做50Q伏安特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，電阻兩端的電壓不要超過(guò)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(cè)量量程，各量程的內(nèi)阻不同，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)選好量程，盡量不要換量 程，各擋的內(nèi)阻詳見(jiàn)其使用說(shuō)明書(shū)。【思考題】1. 在圖八中，開(kāi)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(diǎn)？3. 測(cè)二極管正向特性，反向特性曲線時(shí)，為什么一個(gè)用外接，一個(gè)用內(nèi)接？以下是本小組的實(shí)驗(yàn)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