实验十二 非线性元件伏安特性的测量和研究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和非线性元件的电特性非线性电阻总是与一定的物理过程相联系，如发热、发光和能级跃迁等，江崎玲、於奈等人因研究与隧道二极管负电阻有关的现象而获得1973年的诺贝尔物理学奖实验目的】通过实验测量普通二极管、稳压二极管和发光二极管的伏安特性，掌握非线性元件伏安特性的测量方法、基本电路、误差计算，能够给出所测量元件的特性参数（如正向、反向导通电压，反向饱和电流击穿电压等）实验仪器】非线性元件伏安特性实验仪，其控制面板如图1所示仪器由直流稳压电源、数字电压表、数字电流表、可变电阻器、普通二极管、稳压二极管、发光二极管、待测电阻等组成图1 非线性元件伏安特性实验仪控制面板仪器的使用及注意事项1、 在实验过程中，通过调节分压调节以及分流调节旋钮来调节待测元件两端的电压。
2、 面板的左部分电路为用来测试待测元件的正向特性；右部分电路用来测试待测元件的反向特性3、 待测元件两端的电压由电压表给出，在测正向特性的时候，应该使用2V电压挡；在测量反向电压特性的时候，要使用20V电压挡4、 在接线的过程中，注意不要将各个元件的正负向接反5、 由于本实验需要连接线较多，在实验中应注意正确连接线路，且在使用时不可用力过猛6、 在测量反向特性时，当反向电流开始增大时应注意缓慢调节电压如果观测到反向电流有突变趋势，应该立即减小电压图2 非线性元件伏安特性实验仪实物照片【实验原理】1、伏安特性根据欧姆定律，电阻R、电压U、电流I,有如下关系： （1）由电压表和电流表的示值U和I计算可得到待测元件Rx的阻值但非线性元件的R是一个变量，因此分析它的阻值必须指出其工作电压（或电流）非线性元件的电阻有两种方法表示，一种称为静态电阻（或称为直流电阻），用表示；另一种称为动态电阻用表示，它等于工作点附近的电压改变量与电流改变量之比动态电阻可通过伏安曲线求出，如图3所示，图中Q点的静态电阻,动态电阻。
图3 非线性元件的伏安特性曲线测量伏安特性时，受电压表、电流表内阻接入影响会引入一定的系统误差，由于数字式电压表内阻很高、数字式电流表内阻很小 ，在测量低、中值电阻时引入系统误差很小，一般可忽略不计2、半导体二极管 半导体二极管是一种常用的非线性元件,由P型、N型半导体材料制成PN结，经欧姆接触引出电极，封装而成在电路中用图4(a)符号表示，两个电极分别为正极、负极二极管的主要特点是单向导电性，其伏安特性曲线如图4(b)所示，其特点是：在正向电流和反向电压较小时，电流较小，当正向电压加大到某一数值UD时，正向电流明显增大，将此段直线反向延长与横轴向交，交点UD称为正向导通阈值电压正向导通后，锗管的正向电压降为0.2-0.3V,硅管为0.6-0.8V在反向电压较大时，电流趋近极限值-Is,Is为反向饱和电流；在反向电压超过某一数值-Ub时，电流急剧增大，这种情况称为击穿，Ub为击穿电压图4（b） 图5(b)图4，图5 普通二极管和稳压二极管的符号（a）和伏安特性（b）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；反向电流Ir是反向饱和电流的额定值。
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5(a);其伏安特性曲线如图5(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 （a） (b)图6 发光二极管的表示符号及其工作原理4、发光二极管(LED) 发光二极管是由III-V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6（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6（b）所示假设发光是在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μm以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λ≈1240/Eg(nm) 式中Eg=e*UD、，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3.26～1.63 eV之间比红光波长长的光为红外光目前已有红外、红、黄、绿、白、蓝光等发光二极管。
发光二极管(LED)的主要参数：⑴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⑵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0.6*IFm以下⑶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1.4～3V⑷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⑸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⑹伏安特性：LED的电压与电流的关系可用图5表示图5 发光二极管的伏安特性曲线图6 某LED器件的发光的光谱分布⑺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⑻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。
实验内容及要求】 （b）（a）图7 a 正向伏安特性测量原理图 b 反向伏安特性测量原理图1、测量普通二极管的正向伏安特性实验a 按照图7a将普通二极管连接到正向伏安特性测量电路中b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缓慢地调节Rx1使电压缓慢变化(另加分压保护电阻R2)，正向电流达到20mA时实验结束，这里要求实验数据不能少于20个记录I-U关系数据，在作图纸上描出正向伏安特性曲线说明：由于普通二极管的反向击穿电压一般很大（约100V左右），远远超出了安全电压的范围，因而实验中不需要测量普通二极管的反向伏安特性2、测量稳压二极管的正向、反向伏安特性实验 a 按照图7a将稳压二极管连接到正向伏安特性测量电路中b 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用电压微调调节电压(另加分压保护电阻R2)，正向电流达到10mA时结束，这里要求实验数据不能少于20个在作图纸上描出正向伏安特性曲线c按照图7b将稳压二极管连接到反向伏安特性测量电路中d测反向击穿特性（稳压特性），实验数据不能少于10个，测出反向电流达10mA时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3、测量发光二极管的正向伏安特性a 按照图7a将一个发光二极管（红、黄、绿三种发光二极管其中的一个）连接到正向伏安特性测量电路中b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用电压微调调节电压(另加分压保护电阻R2)，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)要求数据点不得少于20个，在作图纸上描出正向伏安特性曲线c更换一个发光二极管重复上述实验，得出该发光二极管的正向伏安特性d分别根据红、黄、绿、三种发光二极管的导通电压估算出它们的峰值波长思考题】1. 为什么测量稳压二极管时正、反向特性时电压表的接法不同？为什么选择的保护电阻Rx2和Rx4的值也不一样？2. 什么是静态电阻和动态电阻，说明二者区别？3. 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4. 设计一种方法，判断红、绿、蓝三基色发光二极管各自发光的波长范围预习要求】1. 熟悉仪器的使用方法。
2. 熟悉非线性元件伏安特性的测量方法，熟悉正向导通阈值电压、击穿电压、峰值波长等的测量和计算方法3. 熟悉测量步骤。