非線性元件伏安特性測量演示文稿

非線性元件伏安特性測量演示文稿第一頁，共四十七頁。我們的實驗室第二頁，共四十七頁。物理實驗設計與應用三非線性元件伏安特性測量及發(fā)光二極管應用四溫度傳感器的溫度特性測量及應用五光敏傳感器的光電特性測量及應用

第三頁，共四十七頁。非線性元件伏安特性發(fā)光二極管

目的要求實驗儀器實驗原理實驗內容思考題第四頁，共四十七頁。目的要求⑴掌握非線性元件伏安特性的測量方法、基本電路、誤差計算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。準確測量其正向導通閾值電壓、反向擊穿電壓，根據發(fā)光二極管的正向工作電壓估算出它的峰值波長⑶畫出以上三種元件的伏安特性曲線第五頁，共四十七頁。實驗儀器非線性元件伏安特性實驗儀的組成：直流穩(wěn)壓電源數字電壓表數字電流表可變電阻器普通二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管待測電阻等第六頁，共四十七頁。實驗原理1.伏安特性2.半導體二極管3.穩(wěn)壓二極管4.發(fā)光二極管(LED)第七頁，共四十七頁。1.伏安特性(1)（1）給一個元件通以直流電，用電壓表測出元件兩端的電壓，用電流表測出通過元器件的電流。以電壓為橫坐標、電流為縱坐標，畫出電流和電壓的關系曲線，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，共四十七頁。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，共四十七頁。1.伏安特性(3)（4）伏安法的主要用途是測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，還與某一物理量的變化呈規(guī)律性變化，例如溫度、光照度、磁場強度等，這就是各種物理量的傳感元件第十頁，共四十七頁。1.伏安特性(4)根據歐姆定律，電阻R、電壓U、電流I,

關系為

R=U/I

由電壓表和電流表的示值計算可得待測元件的阻值非線性元件的R是一個變量，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——動態(tài)電阻，等于工作點附近的電壓改變量與電流改變量之比第十一頁，共四十七頁。1.伏安特性(5)圖中Q

點的靜態(tài)電阻RD=UQ

/IQ

動態(tài)電阻

rD

=△U/△IUI0IQUQIQU第十二頁，共四十七頁。2.半導體二極管

半導體二極管是一種常用的非線性元件由P型、N

型半導體材料制成PN

結經歐姆接觸引出電極封裝兩個電極分別為正極、負極二極管的結構

電路圖中的常用符號第十三頁，共四十七頁。2.半導體二極管

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，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

T

絕對溫度

Is

反向飽和電流

e=2.71828 自然常數第十四頁，共四十七頁。2.半導體二極管二極管的主要特點是單向導電性伏安特性曲線UD正向導通閾值電壓Is反向飽和電流UB反向擊穿電壓第十五頁，共四十七頁。2.半導體二極管

正向電壓和反向電壓較小時，電流都較小正向電壓加大到某一數值UD

時，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與橫軸相交，交點UD稱做正向導通閾值電壓硅二極管UD=0.6~0.8V，鍺二極管UD=0.2~0.3V

反向電壓較大時，電流趨近極限值Is，反向飽和電流反向電壓超過某一數值UB

時，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，共四十七頁。2.半導體二極管

主要參數正向導通閾值電壓UD

最大整流電流If

即二極管正常工作時允許通過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，是反向飽和電流Is的額定值第十七頁，共四十七頁。2.半導體二極管

應用：（二極管具有單向導電性）常用于整流檢波限幅元件保護以及在數字電路中作為開關元件等第十八頁，共四十七頁。3穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是一種特殊的半導體二極管符號伏安特性曲線第十九頁，共四十七頁。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到反向擊穿電壓之后，在穩(wěn)壓值附近一個很寬的電流范圍內（如圖中的Imin~Imax段），伏安特性曲線十分陡直，在這個區(qū)域內，改變外加電壓，僅引起通過穩(wěn)壓二極管的電流變化，而穩(wěn)壓管的端電壓將維持恒定，一般取電流所對應的電壓值Uw作為穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值第二十頁，共四十七頁。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)壓管又恢復正常。當然，如果反向電流超過允許范圍，穩(wěn)壓管同樣會因熱擊穿而燒壞穩(wěn)壓二極管的主要參數：穩(wěn)定電壓Uw、動態(tài)電阻rD，最小穩(wěn)定電流Imin和最大穩(wěn)定電流Imax等穩(wěn)壓二極管經常用在穩(wěn)壓、恒流等電路中第二十一頁，共四十七頁。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）等半導體材料制成核心是PN結，具有一般PN結的伏安特性即：正向導通、反向截止、擊穿特性

LED的表示符號，如圖4（a）工作的基本原理，如圖4（b）第二十二頁，共四十七頁。4發(fā)光二極管(LED)LED的表示符號

LED工作的基本原理第二十三頁，共四十七頁。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)進入P區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復合進入N區(qū)的空穴和N區(qū)的電子復合以發(fā)光的形式輻射出多余的能量發(fā)光僅在靠近PN結面數μm以內產生第二十四頁，共四十七頁。4發(fā)光二極管(LED)光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導體禁帶寬度Eg有關即λ≈1240/Eg(nm)Eg的單位為電子伏特（eV）若能產生的可見光波長在380nm(紫)～780nm(紅）半導體材料的Eg應在3.26～1.63eV之間目前已有紅外、紅、黃、綠、白、藍光等發(fā)光二極管

(比紅光波長長的光為紅外光)第二十五頁，共四十七頁。4發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管(LED)的主要參數：⑴最大正向電流IFm：允許的最大正向直流電流，超過此值LED損壞⑵正向工作電流IF：正常發(fā)光時的正向電流值在實際使用中應根據亮度需要選擇IF在0.6IFm以下⑶正向工作電壓VF：參數表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下測得的，一般是在IF=20mA時測得的，在1.4～3V第二十六頁，共四十七頁。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它的電流之積的最大值超過此值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：某一個LED所發(fā)的光并不是單一波長，其波長大體按圖6所示

第二十七頁，共四十七頁。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，共四十七頁。4發(fā)光二極管(LED)

峰值波長：LED所發(fā)之光中某一波長λ0的光強最大光譜半寬度△λ：1/2峰值光強所對應兩波長之間隔表示LED的光譜純度（發(fā)光強度IV、半值角θ1/2和視角等指標也很重要但本實驗不作研究）第二十九頁，共四十七頁。實驗內容實驗1(a)限流和分壓電路實驗實驗1(b)限流和分壓電路實驗實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性實驗3測量穩(wěn)壓二極管的正向、反向伏安特性實驗4測量發(fā)光二極管的正向、反向伏安特性第三十頁，共四十七頁。實驗1(a)限流和分壓電路實驗用伏安法測量電阻阻值，了解電阻分壓電路原理分壓電阻Rx1可調，分壓保護電阻R2限流電阻Rx2可調，限流保護電阻R3待測電阻R1CA5VRx1R2BAR3Rx2R1V第三十一頁，共四十七頁。實驗1(a)限流和分壓電路實驗

Rx1=0-1KΩ可調，R2=100Ω

Rx2=0-1KΩ可調，R3=100Ω待測電阻R1≈100ΩCA5VRx1R2BAR3Rx2R1V第三十二頁，共四十七頁。實驗1(a)限流和分壓電路實驗

調節(jié)Rx1

，測量UCA，記錄電壓UCA變化范圍調節(jié)Rx2

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

的數字電壓表能測試0-20V

的電壓圖中：R1=900

KΩR2=100

KΩ0-2V0-20VR2R10-2V數字電壓表第三十四頁，共四十七頁。實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性正向特性：電壓從最小開始調節(jié)，觀察正向電流當開始有正向電流時，即很慢地調節(jié)Rx1使電壓緩慢變化正向電流達到10mA時實驗結束記錄I–U關系數據在作圖紙上描出正向伏安特性曲線第三十五頁，共四十七頁。實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性R1CA5VRx1R2BAR3Rx2V第三十六頁，共四十七頁。實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性

Rx1=0-1KΩ可調，R2=100Ω

Rx2=0-1KΩ可調，R3=100Ω

D正向CA5VRx1R2BAR3Rx2VD正向第三十七頁，共四十七頁。實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性反向擊穿特性：電壓從最小開始調節(jié)，觀察反向電流當反向電流開始增大時必須特別注意，立即用電壓微調開始慢慢調節(jié)并注意觀察反向電流當反向電流有突變趨勢并≥20mA時，必須立即調小電壓，否則二極管有可能被燒壞記錄數據，并在圖紙上描出反向伏安特性曲線注意限流保護，反向擊穿電壓最高做到24V

正、反向分二次做第三十八頁，共四十七頁。實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性VCA5VRx1R4BAR5Rx2D正向第三十九頁，共四十七頁。實驗2測量普通二極管的正向、反向伏安特性

Rx1=0-1KΩ可調，R4=100Ω

Rx2=0-1KΩ可調，R5=1KΩ

D反向CA5VRx1R4BAR5Rx2D反向V第四十頁，共四十七頁。實驗3測量穩(wěn)壓二極管的正向、反向伏安特性正向特性：電壓從最小開始調節(jié)，觀察正向電流當開始有正向電流時，即很慢地調節(jié)Rx1使電壓緩慢變化正向電流達到10mA時實驗結束記錄I–U關系數據在作圖紙上描出正向伏安特性曲線第四十一頁，共四十七頁。實驗3測量穩(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）：測出反向電流達10mA

時穩(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)壓二極管的動態(tài)電阻說明動態(tài)電阻的大小對穩(wěn)壓特性的影響記錄數據，并在作圖紙上描出反向伏安特性曲線

第四十二頁，共四十七頁。實驗4測量發(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，它的導通電壓即為發(fā)光二極管的點亮電壓它的峰值波長與半導體材料禁帶寬度Eg有關，故不同材料制成的發(fā)光二極管會發(fā)出不同峰值波長的光，且導通電壓也會因半導體材料禁帶寬度不同而不同本實驗提供紅、黃、綠三種發(fā)光二極管，分別測出它們的導通電壓，并根據導通電壓估算出它們的峰值波長第四十三頁，共四十七頁。實驗4測量發(fā)光二極管的正向、反向伏安特性正向特性電壓從最小開始調節(jié)，觀察正向電流當開始有正向電流時即用電壓微調調節(jié)電壓，記下