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。利用歐姆定律求導(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，通常作出其伏安特性曲線，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非線性元件。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)康摹客ㄟ^對線性電阻伏安特性的測量，學(xué)習(xí)正確選擇和使用伏安法測電阻的兩種線路。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。習(xí)按電路圖正確地

2、接線，掌握限流電路和分壓電路的主要特點。學(xué)會用作圖法處理實驗數(shù)據(jù)?！緦嶒瀮x器】歐姆定律實驗盒 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(dāng)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)，其伏安特性是一條直 線（見圖1），從圖上看出，直線通過一、三象限。它表明，當(dāng)調(diào)換電阻兩端

3、電壓的極性時， 電流也換向，而電阻始終為一定值，等于直線斜率的倒數(shù)R =V/I。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 有關(guān)。為了了解半導(dǎo)體二極管的導(dǎo)電特性，下面對它的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能作一簡單介紹。(b)圖1線性電阻的伏安特性圖2半導(dǎo)體二極管的p-n結(jié)和表示符號半導(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(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

4、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），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?，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。內(nèi)電場方向，擴散運動方向如圖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，/ 出現(xiàn)了一層帶負(fù)電的粒子區(qū)（以三表示）；n區(qū)

5、的電子減少，出現(xiàn)了一層帶正電的粒子區(qū)（以爭 表示）。結(jié)果在p型與n型半導(dǎo)體交界的兩側(cè)附近，形成了帶正、負(fù)電的薄層區(qū)，稱為p-n結(jié)。 這個帶電薄層內(nèi)的正、負(fù)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(dāng)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)電場方向外電場方向反向電流（很?。╟）內(nèi)電場方向 ,外電場方向 f正向電流（較大）(a)（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

6、區(qū)接負(fù)）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-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。I（毫安）100-正向B806040-20:死區(qū)/A:_1C 00.40.80穿電壓一 -20/反向-40 （微安），圖4半導(dǎo)體二極管的伏安特性V （伏）n區(qū)接正）時，外加電場與內(nèi)電場只有極少數(shù)載流子能夠通過p-n如圖3（c）所示，當(dāng)p-n結(jié)加上反向電壓（p區(qū)接負(fù)， 方向相同，因而加強了內(nèi)電場的作用，使阻擋層變厚。這樣 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。從圖上看出，電流和電

7、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的變 化在很大的范圍內(nèi)變化（稱為動態(tài)電阻）。當(dāng)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?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，電阻值趨于零

8、。因此，若要用伏安法較精確的測量二極管的伏安特性曲線，必須正確地選擇測量線路。【伏安法測電阻的線路分析】JU-歐姆定律是直流電路的基本定律。在電阻R中通以電流I，其兩端的電壓為U，則有Rl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”。用伏安法測電阻， 通常采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。(a)內(nèi)接法(b)外接法RR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Ra，貝0 u = uR +【raU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

9、的電位差，給測量帶來的系 統(tǒng)誤差為 UR = U - UR = lRA = URRRA故有土 = RaUR R只有當(dāng)電流表內(nèi)阻RA待測電阻R時，能使冬-0 ,用內(nèi)接法測量電阻不會帶來明顯的系 UR統(tǒng)誤差。同樣，在圖七(b)中，設(shè)電壓表的內(nèi)阻為RV，則I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，給測量帶來的系統(tǒng)誤差為_R_故有】R = lv =【r rRvJ - RIr RV能使 lR - 0，用外接法測量電阻不會帶來明顯的系 lR只有當(dāng)電壓表內(nèi)阻遠(yuǎn)大于待測電阻R時， 統(tǒng)誤差。綜合上兩種情況，可得當(dāng)r ：RAQ時，用內(nèi)接法系統(tǒng)誤差小。當(dāng)0頑時用外接法系統(tǒng)誤差小。當(dāng)Rf* 時，兩種

10、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高時，才使用伏安法，并且還要根據(jù)電表 的內(nèi)阻Ra、RV和待測電阻值的大小來合理選擇測量線路。測定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(dāng)?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定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：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)節(jié)待測元件電壓的目的。限流

11、電路的特點：簡單、省電、但可調(diào) 節(jié)范圍小。分壓電路如圖7所示，當(dāng)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(dāng)滑動點 P從A往B移動時，PA兩點的電壓逐漸升高，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)范圍大，電壓變化的線性好，但較費電。粗調(diào)與細(xì)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(xì)調(diào)，如圖8所示。(a) 雙分壓電路(b) 分壓+限流電路圖8粗調(diào)與細(xì)調(diào)【實驗內(nèi)容】（一）測繪金屬電阻的伏安特性曲線按圖9接好線路，根據(jù)待測電阻選擇開關(guān)K2接向“ 1”還是“2”。注意將分壓器R1 的滑動端調(diào)至電壓為零的位置，將R2阻值調(diào)到

12、最大；電流表和電壓表的量限要選擇得適當(dāng)。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, 1.00V,1.50V,，5.00V）,讀出相應(yīng)的電流值。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，-5.00V，讀出相應(yīng)的電流值。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(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)點應(yīng)均勻分布）。利用直線的斜率計算電阻阻值。圖9 測電阻伏安特性電路圖（二）測繪晶體

13、二極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(fù)極。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，緩慢地增 加電壓，例如，取0.00V0.10V,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。EE01621二極管圖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 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20

14、0V的量限，接上電源，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)無錯誤和遺漏后，斷開電源，拆除線路。以電壓為橫軸，電流為縱軸，利用測得的正、反向電壓和電流的數(shù)據(jù)，繪出晶體二極 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)0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.505.00I(mA)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)I(mA)3.測繪二極管的反向伏安特性曲線U(V)I( A)把表2、表3中的數(shù)據(jù)作在一張圖上，即為二極管的伏安特性曲線?！咀⒁馐马棥繙y半導(dǎo)體二極管的正向伏安特性時，毫安表讀數(shù)不得超過二極管允許通過的最大正向 電流值。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)定，都將會損壞半導(dǎo)體二極管。做50