非线性元件伏安特性实验.docx
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非线性元件伏安特性实验
非线性元件伏安特性实验
非线性元件伏安特性的测量
【目的要求】
1.掌握非线性元件伏安特性的测量方法、基本电路。
2.掌握二极管、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。
3.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。
仪器由直流稳压电源、数字电压表、数字电流表、多圈可变电阻器、普通二极管、稳压二极管、发光二极管、钨丝灯泡等组成。
【实验原理】
1.伏安特性
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。
通常以电压为横坐标、电流为纵坐标,画出该元件电流和电压的关系曲线,称为该元件的伏安特性曲线。
这种研究元件电学特性的方法称为伏安法。
伏安特性曲线为直线的元件称为线性元件,如电阻;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。
伏安法的主要用途是测量研究线性
二极管伏安特性曲线图稳压管伏安特性曲线图
二极管的主要参数:
最大整流电流If,即二极管正常工作时允许通过的最大正向平均电流;最大反向电压Ub,一般为反向击穿电压的一半。
由于二极管具有单向导电性,它在电子电路中得到了广泛应用,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硅二极管,表示符号如图3(a);其伏安特性曲线如图3(b),在反向击穿区一个很宽的电流区间,伏安曲线徒直,此直线反向与横轴相交于Uw。
与一般二极管不同,普通二极管击穿后电流急剧增大,电流超过极限值-Is,二极管被烧毁。
稳压二极管的反向击穿是可逆的,去掉反向电压,稳压管又恢复正常,但如果反向电流超过允许范围,稳压管同样会因热击穿而烧毁。
故正常工作时要根据稳压二极管的允许工作电流来设定其工作电流。
稳压管常用在稳压、恒流等电路中。
稳压管的主要参数:
稳定电压Uw、动态电阻rD(rD越小,稳压性能越好)、最小稳压电流Imin、最大稳压电流Imax、最大耗散功率Pmax。
4.发光二极管(LED)
发光二极管是由
、
族化合物如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaASP(磷砷化镓)等半导体材料制成的,其核心是PN结。
因此它具有一般PN结的伏安特性,即正向导通、反向截止、击穿特性。
LED的表示符号如图4(a),其主要是它具有发光特性。
在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。
进入对方区域形成少数载流子,此时进入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,并以发光的形式辐射出多余的能量,这就是LED工作的基本原理,如图4(b)所示。
图4(a)LED的表示符号图图4(b)LED工作的基本原理图
假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,但每次释放的能量不大,不能形成可见光。
发光的复合量相对非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的,所以发光仅在靠近PN结面数微米内产生。
理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体禁带宽度Eg有关,即
式中Eg的单位为电子伏特(eV)。
若能产生的可见光波长在380nm(紫光)~780nm(红光),半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间,目前已有红外、红、黄、绿、白、蓝光等发光二极管。
发光二极管(LED)的主要参数:
最大正向电流IFm:
允许加的最大正向直流电流,超过此值LED损坏。
正向工作电流IF:
指LED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0.6IFm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=20mA时测得的,VF在1.4~3V。
最大反向电压VRm:
允许加的最大反向电压,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:
LED的电压与电流的关系可用图5表示。
图5LED的电压与电流的关系图
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。
λ0
波长λ(nm)
图6光谱分布和峰值波长图
由图可见该LED所发之光中某一波长λ0的光强最大,该波长为峰值波长。
光谱半宽度△λ:
它表示LED的光谱纯度,是指图6中1/2峰值光强所对应两波长之间隔。
*发光强度IV、半值角θ1/2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.测量普通二极管的正向伏安特性实验
图7二极管的正向伏安特性测量原理图
测量二极管正向特性时,电压从最小开始调节,观察正向电流,当开始有正向
电流时,即很慢地用分压调节微调电压,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.测量稳压二极管的正向、反向伏安特性实验
图8(a)测稳压管正向特性电路图图8(b)测稳压管反向特性电路图
测正向特性时,电压从最小开始调节(分压调节调至最小),观察正向电流,当开始有正向电流时即用分压调节微调电压,正向电流达到10mA时结束。
在作图纸上描出正向伏安特性曲线。
测反向击穿特性(稳压特性)时,只要将待测稳压二极管2端连线对换(反接)即可,测出反向电流与反向电压的关系,直至反向电流达10mA时停止测量,用外推法求截距,得到稳压二极管的反向击穿电压(稳定电压)。
并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。
在作图纸上描出反向伏安特性曲线。
实验3.测量发光二极管的正向伏安特性
图9为发光二极管测量原理图
发光二极管的正向伏安特性与一般二极管相似,它的导通电压即为发光二极管的点亮电压。
由与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。
本实验提供红色发光二极管,测出它的导通电压,并根据导通电压估算出它的峰值波长。
测正向特性时,电压从最小开始调节(分压调节调至最小),观察正向电流,当开始有正向电流时即用分压调节微调电压,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)。
【研究性实验】(选做)
研究钨丝灯泡的非线性特征,测量钨丝灯泡的伏安特性。
*测量钨丝灯泡的伏安特性时需将测量电路中2个100Ω的保护电阻(R1;R2)用导线短接。
钨丝灯泡的工作原理是:
当电流流过钨丝时,钨丝有一定的电阻会发热而发光,在工作时灯丝处于高温状态,其灯丝电阻阻值随着温度升高而增大。
通过灯丝的电流越大,其温度越高,阻值也越大。
其伏安特性曲线不呈直线,故钨丝灯泡属非线性元件。
在一定的电流范围内,钨丝灯泡的电压与电流的关系为
式中K和n是与钨丝灯泡有关的系数
实验要求:
1.测量钨丝灯泡的伏安特性。
2.验证上式,求系数K和n。
3.求室温时灯泡钨丝的电阻(提示:
作钨丝电阻R于通过电流I的关系图,求I=0时钨丝的电阻R室温
【思考题】
1.什么是静态电阻和动态电阻,说明二者区别?
2.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。
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- 非线性 元件 伏安 特性 实验
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