实验七线性和非线性电学元件伏安特性的测量.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流实验七线性和非线性电学元件伏安特性的测量.精品文档.实验七 线性电阻和非线性电阻的伏安特性曲线电阻是电学中常用的物理量。利用欧姆定律求导体电阻的方法称为伏安法，它是测量电阻的基本方法之一。为了研究材料的导电性，通常作出其伏安特性曲线，了解它的电压与电流的关系。伏安特性曲线是直线的元件称为线性元件，伏安特性曲线不是直线的元件称为非线性元件。这两种元件的电阻都可用伏安法测量。但由于测量时电表被引入测量线路，电表内阻必然会影响测量结果，因而应考虑对测量结果进行必要的修正，以减少系统误差。【实验目的】1 通过对线性电阻伏安特性的测量，学习正确选择和使

2、用伏安法测电阻的两种线路。2 通过对二极管伏安特性的测量，了解非线性电学元件的导电特性。3 习按电路图正确地接线，掌握限流电路和分压电路的主要特点。4 学会用作图法处理实验数据。【实验仪器】 欧姆定律实验盒 直流稳压电源 滑线变阻器（2个） 单刀开关 数字电流表 数字电压表 保护电阻【实验原理】当一个元件两端加上电压，元件内有电流通过时，电压与电流之比称为该元件的电阻。若一个元件两端的电压与通过它的电流成比例，则伏安特性曲线为一条直线，这类元件称为线性元件。若元件两端的电压与通过它的电流不成比例，则伏安特性曲线不再是直线，而是一条曲线，这类元件称为非线性元件。一般金属导体的电阻是线性电阻，它与

3、外加电压的大小和方向无关，其伏安特性是一条直线（见图1），从图上看出，直线通过一、三象限。它表明，当调换电阻两端电压的极性时，电流也换向，而电阻始终为一定值，等于直线斜率的倒数R =V/I。常用的半导体二极管是非线性电阻，其电阻值不仅与外加电压的大小有关，而且还与方向有关。为了了解半导体二极管的导电特性，下面对它的结构和电学性能作一简单介绍。 I（mA）p-n结R =1.0 2.0 1.0 4.0 2.0 2.0 4.0 V(v)p n (b)(a)图1 线性电阻的伏安特性 图2 半导体二极管的p-n结和表示符号半导体二极管又叫晶体二极管。半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。如果在纯净的半导

4、体中适当地掺入极微量的杂质，则半导体的导电能力就会有上百万倍的增加。加到半导体中的杂质可分成两种类型：一种杂质加到半导体中去后，在半导体中会产生许多带负电的电子，这种半导体叫电子型半导体（也叫N型半导体）；另一种杂质加到半导体中会产生许多缺少电子的空穴（空位），这种半导体叫空穴型半导体（也叫P型半导体）。半导体二极管是由两种具有不同导电性能的N型半导体和P型半导体结合形成的p-n结所构成的。它有正、负两个电极，正极由p型半导体引出，负极由n型半导体引出，如图2（a）所示。p-n结具有单向导电的特性，常用图2（b）所示的符号表示。关于p-n结的形成和导电性能可作如下解释。如图3（a）所示，由于p

5、区中空穴的浓度比n区大，空穴便由p区向n区扩散；同样，由于n区的电子浓度比p区大，电子便由n区向p区扩散。随着扩散的进行，p区空穴减少，出现了一层带负电的粒子区（以 表示）；n区的电子减少，出现了一层带正电的粒子区（以 表示）。结果在p型与n型半导体交界的两侧附近，形成了带正、负电的薄层区，称为p-n结。这个带电薄层内的正、负电荷产生了一个电场，其方向恰好与载流子（电子、空穴）扩散运动的方向相反，使载流子的扩散受到内电场的阻力作用，所以这个带电薄层又称为阻挡层。当扩散作用与内电场作用相等时，p区的空穴和n区的电子不再减少，阻挡层也不再增加，达到动态平衡，这时二极管中没有电流。p np np n

6、 内电场方向 内电场方向 内电场方向扩散运动方向 外电场方向 外电场方向 正向电流(较大) 反向电流(很小) (a) (b) (c)图3 p-n结的形成和单向导电特性如图3（b）所示，当p-n结加上正向电压（p区接正，n区接负）时，外电场与内电场方向相反，因而削弱了内电场，使阻挡层变薄。这样，载流子就能顺利地通过p-n结，形成比较大的电流。所以，p-n结在正向导电时电阻很小。如图3（c）所示，当p-n结加上反向电压（p区接负，n区接正）时，外加电场与内电场方向相同，因而加强了内电场的作用，使阻挡层变厚。这样，只有极少数载流子能够通过p-n结，形成很小的反向电流。所以p-n结的反向电阻很大。 I

7、（毫安） B 半导体二极管的正、反向特性曲线如图四 正向所示。从图上看出，电流和电压不是线性关系， 各点的电阻都不相同。凡具有这种性质的电阻，就称为非线性电阻。二极管的伏安特性是非线性的，如图4所示。 死区 A 第一象限的曲线为正向伏安特性曲线，第三象限 V（伏）的曲线为反向特性曲线。由曲线可看出，二极管 击穿电压的电阻值（曲线上每一点的斜率）随U、I的变 反向 （微安） 化在很大的范围内变化（称为动态电阻）。当二极 管加正向电压时，在OA段正向电流随电压的变化 图4 半导体二极管的伏安特性 缓慢，电阻值较大。在AB段二极管的电阻值随U的增加很快变小，电流迅速上升，二极管呈导通状态。若二极管加

8、反向电压，在OC段，反向电流很小，并几乎不随反向电压的增加而变化。二极管呈截止状态，电阻值很大。当电压继续增加，电流剧增，二极管被击穿，电阻值趋于零。因此，若要用伏安法较精确的测量二极管的伏安特性曲线，必须正确地选择测量线路。【伏安法测电阻的线路分析】欧姆定律是直流电路的基本定律。在电阻R中通以电流I，其两端的电压为U，则有用电压表测得U，用电流表测得I，即可求出R。这种方法称为“伏安法”。用伏安法测电阻，通常采用图七所示的两种线路。图5（a）为电流表的内接法，图5（b）为电流表的外接法。 R R A AVV V(a) 内接法 (b) 外接法 图5 测电阻的线路但是，由于电表有内阻，无论采用内

9、接法还是外接法，均会给测量带来系统误差。在图七（a）中，设电流表的内阻为RA，则 U为电压表的指示值。若将电压表的指示值作为待测电阻R两端的电位差，给测量带来的系统误差为故有 只有当电流表内阻RA 待测电阻R时，能使，用内接法测量电阻不会带来明显的系统误差。同样，在图七(b) 中，设电压表的内阻为RV，则I为电流表指示值。若将电流表的指示值I作为流经电阻R的电流，给测量带来的系统误差为故有 只有当电压表内阻远大于待测电阻R时，能使，用外接法测量电阻不会带来明显的系统误差。综合上两种情况，可得当R时，用内接法系统误差小。当R时，用外接法系统误差小。当R=时，两种接法可任意选用。因此，通常只在对电

10、阻值的测量精确度要求不高时，才使用伏安法，并且还要根据电表的内阻RA、RV和待测电阻值的大小来合理选择测量线路。测定元件的伏安特性曲线与测量元件的电阻一样，也存在着用电流表内接还是外接的问题，我们也应根据待测元件电阻的大小，适当地选择电表和接法，减小系统误差，使测出的伏安特性曲线尽可能符合实际。【分压电路和限流电路】要测定元件的伏安特性曲线，就要改变加在元件上的电压。利用滑线电阻来改变加在元件上的电压，方法有两种：1限流电路如图6所示，滑线电阻与待测元件串联，改变滑线电阻的阻值，就可以改变待测元件与滑线电阻的分压比，从而达到调节待测元件电压的目的。限流电路的特点：简单、省电、但可调节范围小。

11、2分压电路如图7所示，当滑线电阻上有电流流过时，沿滑线电阻上各点的电位逐渐变化，当滑动点P从A往B移动时，PA两点的电压逐渐升高，从而使待测元件上得到连续变化的电压。分压电路的特点：调节范围大，电压变化的线性好，但较费电。3粗调与细调实验中会发现只用一个滑线电阻有时很难调节到位。为此，可增加一个阻值较小的滑线电阻作为细调，如图8所示。【实验内容】（一）测绘金属电阻的伏安特性曲线 1按图9接好线路，根据待测电阻选择开关K2接向“1”还是“2”。注意将分压器R1的滑动端调至电压为零的位置，将R2阻值调到最大；电流表和电压表的量限要选择得适当。 2经教师检查线路后，接通电源，将电源E调到10V，滑线

12、电阻器的滑动头，从零开始逐步增大电压（例如取0.00V, 0.50V, 1.00V,1.50V,，5.00V）,读出相应的电流值。 3将电压调为零，改变加在电阻上的电压方向（可将电源电压E正负调换），取电压为0.00V，-0.50V，-1.00V，-1.50V，-5.00V，读出相应的电流值。 4将测得的正、反向电压和相应的电流值填入预先自拟的表格。以电压为横坐标，电流为纵坐标，绘出金属膜电阻的伏安特性曲线（注意：线两侧的数据点应均匀分布）。5利用直线的斜率计算电阻阻值。（二）测绘晶体二极管的伏安特性曲线测量之前，先记录所用晶体管的型号和主要参数（即最大正向电流和最大反向电压），再判别晶体管的

13、正、负极。1为了测得晶体二极管的正向特性曲线，可按照图10所示的电路连线。图中R为保护晶体二极管的保护电阻，电压表的量限取2伏左右。经教师检查线路后，接通电源，缓慢地增加电压，例如，取0.00V,0.10V,0.20V,（在电流变化大的地方，电压间隔应取小一些），读出相应的电流值。最后断开电源。 2为了测得反向特性曲线，可按图11连接电路。将电流表换到200A档，电压表换到20V或200V的量限，接上电源，逐步改变电压，例如，取0.00V，1.00V，2.00V，读出相应的电流值。确认数据无错误和遗漏后，断开电源，拆除线路。3以电压为横轴，电流为纵轴，利用测得的正、反向电压和电流的数据，绘出晶

14、体二极管的伏安特性曲线。【数据记录及处理】1. 测绘电阻的伏安曲线（直线），并利用斜率求阻值R。U(V)0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.505.00I(mA)利用直线的斜率计算电阻阻值2. 测绘二极管的正向伏安特性曲线U(V)I(mA)3. 测绘二极管的反向伏安特性曲线U(V)I(A)把表2、表3中的数据作在一张图上，即为二极管的伏安特性曲线。【注意事项】1测半导体二极管的正向伏安特性时，毫安表读数不得超过二极管允许通过的最大正向电流值。2测半导体二极管反向伏安特性时，加在半导体管上的电压不得超过管子允许的最大反向电压。此实验选用的半导体二极管IN4

15、007的最大反向电压比较高，所以半导体二极管所加反向电压比较低时反向电流读数接近零。 实验时，如果违反上述任一条规定，都将会损坏半导体二极管。 3做50伏安特性实验时，电阻两端的电压不要超过8V，晶体管两端的电压最大为20V左右，以免烧坏电阻和晶体管。 4电源不能短路。 5数字电流表为四挡测量量程，各量程的内阻不同，在做实验时选好量程，尽量不要换量程，各挡的内阻详见其使用说明书。【思考题】1在图八中，开关打向“1”或“2”有何不同？为什么要采用这样的接法？2如何作出伏欧特性曲线（V-R曲线）？金属膜电阻和半导体二极管的伏欧特性曲线各具有什么特点？3测二极管正向特性，反向特性曲线时，为什么一个用外接，一个用内接？以下是本小组的实验数据：数据记录与处理正向特性曲线数据如下表：电压U(V)00.10250.16250.16500.20250.2275电流 I(mA)00.050.150.150.200.350.29500.40750.50250.60250.69750.70250.79250.450.650.901.053.954.258.65反向特性曲线数据记录如下表：电压U(V)00.180.484.975.215.325.395.525.595.61电流I(mA)0000.250.951.452.204.458.1010.00