非線性元件伏安特性測(cè)量演示文稿

非線性元件伏安特性測(cè)量演示文稿第一頁(yè)，共四十七頁(yè)。我們的實(shí)驗(yàn)室第二頁(yè)，共四十七頁(yè)。物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用三非線性元件伏安特性測(cè)量及發(fā)光二極管應(yīng)用四溫度傳感器的溫度特性測(cè)量及應(yīng)用五光敏傳感器的光電特性測(cè)量及應(yīng)用

第三頁(yè)，共四十七頁(yè)。非線性元件伏安特性發(fā)光二極管

目的要求實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容思考題第四頁(yè)，共四十七頁(yè)。目的要求⑴掌握非線性元件伏安特性的測(cè)量方法、基本電路、誤差計(jì)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(cè)量其正向?qū)ㄩ撝惦妷骸⒎聪驌舸╇妷?，根?jù)發(fā)光二極管的正向工作電壓估算出它的峰值波長(zhǎng)⑶畫(huà)出以上三種元件的伏安特性曲線第五頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器非線性元件伏安特性實(shí)驗(yàn)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(cè)電阻等第六頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)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)第七頁(yè)，共四十七頁(yè)。1.伏安特性(1)（1）給一個(gè)元件通以直流電，用電壓表測(cè)出元件兩端的電壓，用電流表測(cè)出通過(guò)元器件的電流。以電壓為橫坐標(biāo)、電流為縱坐標(biāo)，畫(huà)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第八頁(yè)，共四十七頁(yè)。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第九頁(yè)，共四十七頁(yè)。1.伏安特性(3)（4）伏安法的主要用途是測(cè)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(chǎng)強(qiáng)度等，這就是各種物理量的傳感元件第十頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(jì)算可得待測(cè)元件的阻值非線性元件的R是一個(gè)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——?jiǎng)討B(tài)電阻，等于工作點(diǎn)附近的電壓改變量與電流改變量之比第十一頁(yè)，共四十七頁(yè)。1.伏安特性(5)圖中Q

點(diǎn)的靜態(tài)電阻RD=UQ

/IQ

動(dòng)態(tài)電阻

rD

=△U/△IUI0IQUQIQU第十二頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(gè)電極分別為正極、負(fù)極二極管的結(jié)構(gòu)

電路圖中的常用符號(hào)第十三頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(shí)，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(duì)溫度

Is

反向飽和電流

e=2.71828 自然常數(shù)第十四頁(yè)，共四十七頁(yè)。2.半導(dǎo)體二極管二極管的主要特點(diǎn)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反向擊穿電壓第十五頁(yè)，共四十七頁(yè)。2.半導(dǎo)體二極管

正向電壓和反向電壓較小時(shí)，電流都較小正向電壓加大到某一數(shù)值UD

時(shí)，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(zhǎng)與橫軸相交，交點(diǎn)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(shí)，電流趨近極限值Is，反向飽和電流反向電壓超過(guò)某一數(shù)值UB

時(shí)，電流急劇增大，這種情況稱做擊穿，UB稱做反向擊穿電壓第十六頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(shí)允許通過(guò)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(shí)，是反向飽和電流Is的額定值第十七頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(hù)以及在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)元件等第十八頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(hào)伏安特性曲線第十九頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(dá)到反向擊穿電壓之后，在穩(wěn)壓值附近一個(gè)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(gè)區(qū)域內(nèi)，改變外加電壓，僅引起通過(guò)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(duì)應(yīng)的電壓值Uw作為穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值第二十頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(guò)允許范圍，穩(wěn)壓管同樣會(huì)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(dòng)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、恒流等電路中第二十一頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(hào)，如圖4（a）工作的基本原理，如圖4（b）第二十二頁(yè)，共四十七頁(yè)。4發(fā)光二極管(LED)LED的表示符號(hào)

LED工作的基本原理第二十三頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(jìn)入P區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合進(jìn)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)生第二十四頁(yè)，共四十七頁(yè)。4發(fā)光二極管(LED)光的峰值波長(zhǎng)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(jiàn)光波長(zhǎng)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(lán)光等發(fā)光二極管

(比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光)第二十五頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(guò)此值LED損壞⑵正向工作電流IF：正常發(fā)光時(shí)的正向電流值在實(shí)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(cè)得的，一般是在IF=20mA時(shí)測(cè)得的，在1.4～3V第二十六頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(guò)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(guò)它的電流之積的最大值超過(guò)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(zhǎng)：某一個(gè)LED所發(fā)的光并不是單一波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)大體按圖6所示

第二十七頁(yè)，共四十七頁(yè)。4發(fā)光二極管(LED)由圖I/mAU/V0123123450.10.20.30.4-5-10-15第二十八頁(yè)，共四十七頁(yè)。4發(fā)光二極管(LED)

峰值波長(zhǎng)：LED所發(fā)之光中某一波長(zhǎng)λ0的光強(qiáng)最大光譜半寬度△λ：1/2峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)之間隔表示LED的光譜純度（發(fā)光強(qiáng)度IV、半值角θ1/2和視角等指標(biāo)也很重要但本實(shí)驗(yàn)不作研究）第二十九頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)1(a)限流和分壓電路實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1(b)限流和分壓電路實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)2測(cè)量普通二極管的正向、反向伏安特性實(shí)驗(yàn)3測(cè)量穩(wěn)壓二極管的正向、反向伏安特性實(shí)驗(yàn)4測(cè)量發(fā)光二極管的正向、反向伏安特性第三十頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)1(a)限流和分壓電路實(shí)驗(yàn)用伏安法測(cè)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(hù)電阻R2限流電阻Rx2可調(diào)，限流保護(hù)電阻R3待測(cè)電阻R1CA5VRx1R2BAR3Rx2R1V第三十一頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)1(a)限流和分壓電路實(shí)驗(yàn)

Rx1=0-1KΩ可調(diào)，R2=100Ω

Rx2=0-1KΩ可調(diào)，R3=100Ω待測(cè)電阻R1≈100ΩCA5VRx1R2BAR3Rx2R1V第三十二頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)1(a)限流和分壓電路實(shí)驗(yàn)

調(diào)節(jié)Rx1

，測(cè)量UCA，記錄電壓UCA變化范圍調(diào)節(jié)Rx2

，測(cè)量I，記錄電流I變化范圍用伏安法測(cè)量待測(cè)電阻的阻值，即R1=UR1/ICA5VRx1R2BAR3Rx2R1V第三十三頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)1(b)限流和分壓電路實(shí)驗(yàn)用分壓、限流原理使原0-2V

的數(shù)字電壓表能測(cè)試0-20V

的電壓圖中：R1=900

KΩR2=100

KΩ0-2V0-20VR2R10-2V數(shù)字電壓表第三十四頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)2測(cè)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(kāi)始調(diào)節(jié)，觀察正向電流當(dāng)開(kāi)始有正向電流時(shí)，即很慢地調(diào)節(jié)Rx1使電壓緩慢變化正向電流達(dá)到10mA時(shí)實(shí)驗(yàn)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第三十五頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)2測(cè)量普通二極管的正向、反向伏安特性R1CA5VRx1R2BAR3Rx2V第三十六頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)2測(cè)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正向第三十七頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)2測(cè)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(kāi)始調(diào)節(jié)，觀察反向電流當(dāng)反向電流開(kāi)始增大時(shí)必須特別注意，立即用電壓微調(diào)開(kāi)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(shì)并≥20mA時(shí)，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(hù)，反向擊穿電壓最高做到24V

正、反向分二次做第三十八頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)2測(cè)量普通二極管的正向、反向伏安特性VCA5VRx1R4BAR5Rx2D正向第三十九頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)2測(cè)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第四十頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)3測(cè)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(kāi)始調(diào)節(jié)，觀察正向電流當(dāng)開(kāi)始有正向電流時(shí)，即很慢地調(diào)節(jié)Rx1使電壓緩慢變化正向電流達(dá)到10mA時(shí)實(shí)驗(yàn)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第四十一頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)3測(cè)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(cè)出反向電流達(dá)10mA

時(shí)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(dòng)態(tài)電阻說(shuō)明動(dòng)態(tài)電阻的大小對(duì)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

第四十二頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)4測(cè)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(diǎn)亮電壓它的峰值波長(zhǎng)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(huì)發(fā)出不同峰值波長(zhǎng)的光，且導(dǎo)通電壓也會(huì)因半導(dǎo)體材料禁帶寬度不同而不同本實(shí)驗(yàn)提供紅、黃、綠三種發(fā)光二極管，分別測(cè)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(zhǎng)第四十三頁(yè)，共四十七頁(yè)。實(shí)驗(yàn)4測(cè)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(kāi)始調(diào)節(jié)，觀察正向電流當(dāng)開(kāi)始有正向電流時(shí)即用電壓微調(diào)調(diào)節(jié)電壓，記下