二極管伏安特性試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)十二非線性元件伏安特性的測(cè)量和研究給一個(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)出通過元器件的電流。通常以電壓為橫坐標(biāo)、電流為縱坐標(biāo)，畫出該元件電流和電壓的關(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。伏安特性曲線為直線的元件稱為線性元件，如電阻；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。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。非線性電阻總是與一定的物理過程相聯(lián)系，如發(fā)熱、發(fā)光和能級(jí)躍遷等，江崎玲、於奈等人因研究與隧道二極管負(fù)電阻有關(guān)的現(xiàn)象而獲得1973年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹客ㄟ^實(shí)驗(yàn)測(cè)量普通二極管、穩(wěn)壓二極管

2、和發(fā)光二極管的伏安特性，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，能夠給出所測(cè)量元件的特性參數(shù)（如正向、反向?qū)妷?，反向飽和電流。擊穿電壓等）?！緦?shí)驗(yàn)儀器】非線性元件伏安特性實(shí)驗(yàn)儀，其控制面板如圖1所示。儀器由直流穩(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)電阻等組成。圖1 非線性元件伏安特性實(shí)驗(yàn)儀控制面板儀器的使用及注意事項(xiàng)1、 在實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)分壓調(diào)節(jié)以及分流調(diào)節(jié)旋鈕來調(diào)節(jié)待測(cè)元件兩端的電壓。2、 面板的左部分電路為用來測(cè)試待測(cè)元件的正向特性；右部分電路用來測(cè)試待測(cè)元件的反向特性。3、 待測(cè)元件兩端的電壓由電壓表給出，在測(cè)正向特

3、性的時(shí)候，應(yīng)該使用2V電壓擋；在測(cè)量反向電壓特性的時(shí)候，要使用20V電壓擋。4、 在接線的過程中，注意不要將各個(gè)元件的正負(fù)向接反。5、 由于本實(shí)驗(yàn)需要連接線較多，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意正確連接線路，且在使用時(shí)不可用力過猛。6、 在測(cè)量反向特性時(shí)，當(dāng)反向電流開始增大時(shí)應(yīng)注意緩慢調(diào)節(jié)電壓。如果觀測(cè)到反向電流有突變趨勢(shì)，應(yīng)該立即減小電壓。圖2 非線性元件伏安特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物照片【實(shí)驗(yàn)原理】1、伏安特性根據(jù)歐姆定律，電阻R、電壓U、電流I,有如下關(guān)系： （1）由電壓表和電流表的示值U和I計(jì)算可得到待測(cè)元件Rx的阻值。但非線性元件的R是一個(gè)變量，因此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

4、方法表示，一種稱為靜態(tài)電阻（或稱為直流電阻），用表示；另一種稱為動(dòng)態(tài)電阻用表示，它等于工作點(diǎn)附近的電壓改變量與電流改變量之比。動(dòng)態(tài)電阻可通過伏安曲線求出，如圖3所示，圖中Q點(diǎn)的靜態(tài)電阻,動(dòng)態(tài)電阻。 圖3 非線性元件的伏安特性曲線測(cè)量伏安特性時(shí)，受電壓表、電流表內(nèi)阻接入影響會(huì)引入一定的系統(tǒng)誤差，由于數(shù)字式電壓表內(nèi)阻很高、數(shù)字式電流表內(nèi)阻很小 ，在測(cè)量低、中值電阻時(shí)引入系統(tǒng)誤差很小，一般可忽略不計(jì)。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，封裝而成。在電路中用圖4(a)符號(hào)表示，兩個(gè)電極分別為正極、負(fù)極。二極管的主要特點(diǎn)是單向?qū)щ娦?/p>

5、，其伏安特性曲線如圖4(b)所示，其特點(diǎn)是：在正向電流和反向電壓較小時(shí)，電流較小，當(dāng)正向電壓加大到某一數(shù)值UD時(shí)，正向電流明顯增大，將此段直線反向延長(zhǎng)與橫軸向交，交點(diǎn)UD稱為正向?qū)ㄩ撝惦妷骸Ｕ驅(qū)ê?，鍺管的正向電壓降為0.2-0.3V,硅管為0.6-0.8V。在反向電壓較大時(shí)，電流趨近極限值-Is,Is為反向飽和電流；在反向電壓超過某一數(shù)值-Ub時(shí)，電流急劇增大，這種情況稱為擊穿，Ub為擊穿電壓。圖4（b） 圖5(b)圖4，圖5 普通二極管和穩(wěn)壓二極管的符號(hào)（a）和伏安特性（b）二極管的主要參數(shù)：最大整流電流If,即二極管正常工作時(shí)允許通過的最大正向平均電流；最大反向電壓Ub,一般為反向擊

6、穿電壓的一半；反向電流Ir是反向飽和電流的額定值。 由于二極管具有單向?qū)щ娦?，它在電子電路中得到了廣泛應(yīng)用，常用于整流、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。3、穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管是一種特殊的硅二極管,表示符號(hào)如圖5(a);其伏安特性曲線如圖5(b)，在反向擊穿區(qū)一個(gè)很寬的電流區(qū)間，伏安曲線徒直，此直線反向與橫軸相交于Uw。與一般二極管不同，普通二極管擊穿后電流急劇增大，電流超過極限值-Is，二極管被燒毀。穩(wěn)壓二極管的反向擊穿是可逆的，去掉反向電壓，穩(wěn)壓管又恢復(fù)正常，但如果反向電流超過允許范圍，穩(wěn)壓管同樣會(huì)因熱擊穿而燒毀。故正常工作時(shí)要根據(jù)穩(wěn)壓二極管的允許工作電流來設(shè)定其工作

7、電流 。穩(wěn)壓管常用在穩(wěn)壓、恒流等電路中。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：穩(wěn)定電壓Uw、動(dòng)態(tài)電阻rD(rD 越小,穩(wěn)壓性能越好）、最小穩(wěn)壓電流Imin、最大穩(wěn)壓電流Imax、最大耗散功率Pmax。（a） (b)圖6 發(fā)光二極管的表示符號(hào)及其工作原理4、發(fā)光二極管(LED) 發(fā)光二極管是由III-V族化合物如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaASP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體材料制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般PN結(jié)的伏安特性，即正向?qū)?、反向截止、擊穿特性。LED的表示符號(hào)如圖6（a），其主要是它具有發(fā)光特性。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)入對(duì)方區(qū)域形成少數(shù)載流子，此時(shí)進(jìn)入P區(qū)

8、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，并以發(fā)光的形式輻射出多余的能量，這就是LED工作的基本原理，如圖6（b）所示。假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，但每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以發(fā)光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)m以內(nèi)產(chǎn)生。理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體禁帶寬度Eg有關(guān)，即1240/Eg(nm) 式中

9、Eg=e*UD、，單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生的可見光波長(zhǎng)在380nm(紫光)780nm(紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.261.63 eV之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光。目前已有紅外、紅、黃、綠、白、藍(lán)光等發(fā)光二極管。發(fā)光二極管(LED)的主要參數(shù)：最大正向電流IFm：允許加的最大正向直流電流，超過此值LED損壞。正向工作電流IF：指LED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0.6*IFm以下。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，VF在1.43V。最大反向電壓VRm：允許加的最大反向電壓，超過此值LE

10、D可能被擊穿損壞。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。伏安特性：LED的電壓與電流的關(guān)系可用圖5表示。圖5 發(fā)光二極管的伏安特性曲線圖6 某LED器件的發(fā)光的光譜分布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。由圖可見該LED所發(fā)之光中某一波長(zhǎng)0的光強(qiáng)最大，該波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)。光譜半寬度：它表示LED的光譜純度，是指圖6中1/2峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)之間隔。 *發(fā)光強(qiáng)度IV、半值角1/2和視角等指標(biāo)也很重要，但本實(shí)驗(yàn)不作研究?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求】（b）（a）圖7 a 正向伏安特性測(cè)量原理圖 b 反向伏安特

11、性測(cè)量原理圖1、測(cè)量普通二極管的正向伏安特性實(shí)驗(yàn)a 按照?qǐng)D7a將普通二極管連接到正向伏安特性測(cè)量電路中。b電壓從最小開始調(diào)節(jié)，觀察正向電流，當(dāng)開始有正向電流時(shí)即緩慢地調(diào)節(jié)Rx1使電壓緩慢變化(另加分壓保護(hù)電阻R2)，正向電流達(dá)到20mA時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，這里要求實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能少于20個(gè)。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。說明：由于普通二極管的反向擊穿電壓一般很大（約100V左右），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了安全電壓的范圍，因而實(shí)驗(yàn)中不需要測(cè)量普通二極管的反向伏安特性。2、測(cè)量穩(wěn)壓二極管的正向、反向伏安特性實(shí)驗(yàn) a 按照?qǐng)D7a將穩(wěn)壓二極管連接到正向伏安特性測(cè)量電路中。b 電壓從最小開始調(diào)節(jié)，觀察正向電

12、流，當(dāng)開始有正向電流時(shí)即用電壓微調(diào)調(diào)節(jié)電壓(另加分壓保護(hù)電阻R2)，正向電流達(dá)到10mA時(shí)結(jié)束，這里要求實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能少于20個(gè)。在作圖紙上描出正向伏安特性曲線。c按照?qǐng)D7b將穩(wěn)壓二極管連接到反向伏安特性測(cè)量電路中。d測(cè)反向擊穿特性（穩(wěn)壓特性），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能少于10個(gè)，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）。并用伏安法求出穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻，說明動(dòng)態(tài)電阻的大小對(duì)穩(wěn)壓特性的影響。在作圖紙上描出反向伏安特性曲線。3、測(cè)量發(fā)光二極管的正向伏安特性a 按照?qǐng)D7a將一個(gè)發(fā)光二極管（紅、黃、綠三種發(fā)光二極管其中的一個(gè)）連接到正向伏安特性測(cè)量電路中。b電壓從最小開始調(diào)節(jié)，觀察正向電流，當(dāng)開始有正向電流時(shí)即用電壓微調(diào)調(diào)節(jié)電壓(另加分壓保護(hù)電阻R2)，記下它們導(dǎo)通電壓（點(diǎn)亮電壓），正向電流達(dá)到10mA時(shí)結(jié)束(正向電流最大不能超過20mA，否則LED可能燒壞)。要求數(shù)據(jù)點(diǎn)不得少于20個(gè)，在作圖紙上描出正向伏安特性曲線。c更換一個(gè)發(fā)光二極管重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得出該發(fā)光二極管的正向伏安特性。d分別根據(jù)紅、黃、綠、三種發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓估算出它們的峰值波長(zhǎng)?！舅伎碱}】1. 為什么測(cè)量穩(wěn)壓二極管時(shí)正、反向特性時(shí)電壓表的接法不同？為什么選擇的保護(hù)電阻Rx2和Rx4的值也